Experimentelle Materialcharakterisierung sowie technische Prozessoptimierung bei adsorptiven Wärmespeichern

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1 Experimentelle Materialcharakterisierung sowie technische Prozessoptimierung bei adsorptiven Wärmespeichern Dr. Asnakech Laß-Seyoum, ZeoSys GmbH Kolloquium Effiziente Energienutzung Stuttgart, 03. Juli 2013

2 Inhalt Motivation und Zielsetzung Hintergrund der adsorptiven Wärmespeicher Forschungs- und Entwicklungsarbeiten Laborphase Systementwicklungsphase bisher erhaltene Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Das Unternehmen ZeoSys GmbH ist ein Forschungs- und Vertriebsunternehmen mit Sitz in Berlin-Weissensee. Der Unternehmer hat 1995 offiziell die Tätigkeit aufgenommen und führt seither zusammen mit ihren langjährigen Partnern Pneumatik Berlin und B&O Gebäudetechnik angewandte Forschung auf den Gebieten der Oberflächenchemie bzw. -physik durch. umfangreiche und langjährige Forschungserfahrungen mit zahlreichen porösen Stoffen verschiedener Arten: Zeolithen, SAPOs, ALPOs, MOFs, Aktivkohlen und mit Kompositen zur Anwendung in der Energie- und der Medizintechnik- sowie des Umweltschutzes Geschäftsführer: RA Burckhardt Brennecke derzeit 8 Mitarbeiter davon 5 im FuE-Bereich. 3

4 Motivation und Zielsetzung 4

5 Motivation Wärme ist die wichtigste Energieform bei der Anwendung in Industrie, Energieversorgung und Gebäudetechnik 49% der Primärenergie in der EU wird als Wärme eingesetzt 1 Wärmebedarf in der europ. Industrie >300 TWh/a ( C) TWh/a (<400 C) 3 (1) ESTIF, (2) Schweiger, H. et. al Eurosun 2000 (3) EcoHeatCool 2003 mögliche Energieeffizienzsteigerung mit Wärmespeicher: Energieerzeugung (KWK, BHKW) Industrieprozesse durch Zwischenspeichern von Wärme Gebäudetechnik Einsatz von regenerativen Energien (insb. Solarwärme, Biogas) Angebot Bedarf (zeitlich /räumlich) 5

6 Zielsetzung Umsetzung von FuE-Laborergebnissen in ein technisches Speichersystem: System Kurz- und mittelfristige Wärmespeicherung (Stunden bis Wochen) mit hoher Energiespeicherdichte kwh/m³ Speichermaterial im breiteren Temperaturbereich (Belade- und Entladetemperaturen: C und C) Verbesserung des Wärme- und Stofftransports im Speicher Modularer Speicheraufbau Material Höhere Energiedichte und Wasseradsorptionskapazität Optimale Wärmeleitfähigkeit, hohe hydrothermale, chemische und mechanische Stabilität 6

7 Hintergrund der adsorptiven thermochemischen Wärmespeicherung 7

8 Thermischen Energiespeicherung Sensible (H 2 O) Thermische Energiespeicherung Latent (PCM) Thermochemische Chemische Sorption Offen Geschlossen Sensible Latente Thermochemische (TCS) Sorption Chemisch Wärmespeicherdichte [kwh/m³] Nutztemperatur [ o C] < 100 (H 2 O) Quellen: Bine 2001/ Kerskes H.; ITW Stuttgart, IRES 20)09; eigene Arbeiten 8

9 Funktionsprinzip der adsorptiven TCS Wärme beladen gasförmiges Adsorptiv A+B AB + Wärme Adsorbens mit Adsorptiv System ist entladen (Ruhezustand) System ist beladen (Speicherung) A: Adsorbens B: Adsorptiv AB: Adsorbat h sp h b h V entladen Adsorbens h sp h b h V : Adsorptionsenthalpie : Bindungsenthalpie : Verdampfungsenthalpie Wärme 9

10 Technologie: geschlossenes System Poröser Festkörper bindet (Wasser-) Moleküle unter Wärmeabgabe (reversibler Prozess) p R p v/k Verdampfer / Kondensator (Druck p v/k ) Desorber / Adsorber gefüllt mit Speichermaterial (Druck p R ) System unter Vakuum 10

11 Technologie Laden des Speichers Wasserdampf Abwärme (Niedertemperatur) p v/k p R Wärme (z.b. aus Industrieprozess oder Solarkollektor Wasser wird unter Wärmezufuhr aus Speichermaterial desorbiert. Kondensation des Wasserdampf an andere Stelle im System (Kondensator) p v/k <p R <1bar 11

12 Technologie Entladen des Speichers Wasserdampf p R Wärmezufuhr aus der Umgebung (Niedertemperatur) p v/k Nutzwärme Wasser wird unter Vakuum verdampft. Adsorption von Wasserdampfmolekülen am Speichermaterial Wärmeabgabe 1bar > p v/k > p R 12

13 Prozesssimulation (Entladen) 13

14 Prozesssimulation (Entladen) 14

15 Prozesssimulation (Entladen) 15

16 Prozesssimulation (Entladen) 16

17 Prozesssimulation (Entladen) 17

18 Prozesssimulation (Entladen) 18

19 Prozesssimulation (Entladen) 19

20 Prozesssimulation (Entladen) 20

21 Vorteile der adsorptive TCS Systeme Die Energiedichte ist 4 5 (theoretisch 10 12)-fach höher als bei herkömmlichen sensible Wärmespeichern Viel kompakter als ein von der Speichermenge entsprechendes Wasserspeichersystem Kaum Wärmeverlust während der Speicherzeit Die gespeicherte Energie kann an die spezifische Anwendung in Abhängigkeit von der Nutztemperatur und der Energiequelle angepasst werden. Ermöglicht eine Kältespeicherung Wärme- und Kältetransport 21

22 Forschungs- und Entwicklungsarbeiten 22

23 Laborphase 1 Materialcharakterisierung Herstellung und Charakterisierung von Speichermaterialien für die Eignung in Sorptionsspeichern im Nieder- und Hochtemperaturbereich (<110 C; > 110 C) Komposite: CaCl 2, MgCl 2, MgSO 4 und Na 3 PO 4 als Aktivkomponente und Aktivkohle, Tonmineral und Silikagel als Trägermaterial Zeolithe: NaX, NaY, NaLSX; SAPOs und AlPOs und MOFs Wasseradsorptionskapazität, spezifische Energiedichte, hydrothermale und chemische Stabilität, Lebensdauer, Kinetik, Strömungswiderstand etc. vielversprechende Materialien: Pool-Kohle (Trägermaterial Recycling-Aktivkohle mit CaCl 2 x 6H 2 O) Attapulgit (Verformtes Tonmineral mit CaCl 2 x 6H 2 O) modifizierte Zeolithen (Al/Si Verhältnis, Ionenaustausch, Formbildung sowie Pelletierung) 23

24 Thermoanalytische Versuche mittels TG-DSC Bestimmung der Adsorptionsisothermen Mathematische Berechnung der thermodynamischen Daten (z.b. Anwendung der Dubinin `s Theorie) Bestimmung der spezifischen BET-Oberfläche Statische und dynamische Adsorptionsversuche (25 50 g Adsorbent) 24

25 Laborphase 2.1 Erste kleinere Testspeicher V brutto = 1,5 Liter für wissenschaftliche Grundlagen: erste Erfahrungen bzgl. sorptiver Wärmespeicherung in geschlossenen Systemen Charakterisierung von Sorptionsmaterial breiteren Spektrums ( g Maßstab) Charakterisierung des Wärme- und Stofftransports Entwicklung der Speichermaterialien und deren Modifizierung 25

26 Laborphase 2.2 flexibles Laborspeichersystem V brutto = 15 Liter für Identifizierung von Optimierungsschwerpunkten: Sorptionsdynamik (Stoff-und Wärmetransport) Prozessführung/-steuerung Bestimmung verschiedener Prozessparameter verschiedene Wärmetauscher (HX)-Konfigurationen und deren Erprobung Verbesserung der Wärme- und Prozessdynamik Parametrisierung von Speicherprozessen Design- und Maßstabsvergrößerung weitere Materialcharakterisierung (5-15 L) 26

27 Systementwicklung Scale-up der Technologie auf eine Anlage mit ca.750 Liter Speichervolumen Systeminstallation und Inbetriebnahme Schnittstelle zu einer Energiequelle Durchführung von Funktionalitätstest Weitere Versuche sowie Optimierung des Systems laufen 27

28 28

29 Ergebnisse: Labor-Phase 100 TI-R3 TI-R4 TI-R5 TI-R6 TI-R7 TI-R8 TI-OR TI-OV Power Nach Vergleich verschiedener Konzepte wurde ein leicht skalierbarer Wärmetauscher, bestehend aus Standard-Komponenten, entwickelt. Durch zusätzliche Maßnahmen wurde die Wärmeleitfähigkeit der Schüttung um ~ 500% verbessert. Erhalt der Prozessparameter Grundlage für die Scale-up der Technologie Temperature [ C] Fins heat exchanger 00:00 00:10 00:20 00:30 00:40 00:50 01:00 01:10 01:20 Adsorption Time [hh:mm] TI-R3 TI-R4 TI-R5 TI-R6 TI-R7 TI-R8 TI-OR TI-OV Power Heat Power [kw] Temperature [ C] Heat Power [kw] Fins heat exchanger 00:00 00:40 01:20 02:00 02:40 03:20 04:00 04:40 05:20 06:00 0 Adsorption Time [hh:mm] 29

30 Ergebnisse: Up-Scale System TI-R1 TI-R2 TI-R3 TI-R4 TI-R5 E/C out E/C in Oil in Oil out 160 Funktionalitätstest erfolgreich durchgeführt Das System zeigt eine geringere Leistungsschwankung während des Entladungsprozesses. Temperature [ C] st Day 2 nd Day 00:00 01:30 03:00 04:30 06:00 07:30 09:00 10:30 12:00 13: Adsorption Time [hh:mm] Nutztemperaturen > 100 Leistung = 8 kw Heat Power [kw] Power MV=1 MV=1 MV=1 MV=1 MV=1 MV=1 MV=1 MV=1 MV=0 MV=0 MV=1 H 2 O-Level Water Fill level [%] 40 MV= MV=0 MV=0 MV=0 1 st Day MV=0 MV=0 MV=0 2 nd Day 00:00 01:30 03:00 04:30 06:00 07:30 09:00 10:30 12:00 13:30 Adsorption Time [hh:mm]

31 Systemvergleich T V = C (23-42 mbar) T K = C (12-17 mbar) T D = 200 C Spezifische Speicherdichte Spezifische Leistung Max. T Wh/kg kwh/m 3 W/kg kw/m 3 C Statische/dynamische Adsorption Laborsystem 1,5 Liter * (70-163) 140 Laborsystem 15 Liter Liter System ( )** ( ) (19-50)** (11-29) 140 *not so stable, ** estimated 31

32 Zusammenfassung und Ausblick aborphase Systementwicklung Demonstration im Großmaßstab(Prototyp) 15 L 750 L 1.5 L Dynamische Versuche unter realen Bedingungen (Solar and BHKWs) 3 m³ - 10 m³ Modularisierung 32

33 Danksagung B&O GmbH - Hans Dienst, Peter Münn, Jürgen Hedrich; Deutschland Dvigatel Regital, Estonia Fraunhofer IGB Mike Blicker, Timo Langhof, Siegfried Egner, Deutschland ZeoSys: Dr. Dmitry Borozdenko, Thomas Friedrich, Deutschland ECP GmbH; Wolfgang Wimmer Die vorliegende Arbeit wurde teilweise im Rahmen des 7. Rahmenprogramms der Europäischen Union im Programm Forschung zugunsten von KMU finanziert. (HeatSaver und HS-DEMO) 33

34 NaX-Zeolite 34