Thermische Batterie kompakte und verlustarme Wärmespeicherung

Transkript

1 Innovations-Inkubator Leuphana Universität Lüneburg Thermische Batterie kompakte und verlustarme Wärmespeicherung Thomas Schmidt

2 Das Kompetenztandem Thermische Batterie entwickelt einen kompakten Wärmespeicher für Hausenergieanwendungen. Herausforderung Ziel Lösungsansatz Wärmebedarf sehr bedeutend für Energieverbrauch in Deutschland Abwärmeanteil bei Wärmegewinnung sehr hoch Aktuelle Wärmespeicher für kleine BHKW bisher mit großem Volumen und verlustbehaftet Entwicklung eines kompakten, verlustarmen und leistungsstarken Wärmespeichers für den stationären Einsatz Produktion und Vertrieb von Wärmespeichern durch im Konvergenzgebiet gegründetes Unternehmen Nutzung von Abwärme zur Deckung des Energiebedarfs Reversible chemische Reaktionen als neuer Ansatz zur Wärme-speicherung Kompakt und verlustarm Vglw. Niedrige Materialkosten Zu Grunde liegende Erfindung WO 2011/ A2: Verfahren, Wärmespeicher und Wärmespeichersystem... Kooperations- und Projektpartner Vattenfall Europe New Energy Services GmbH, Hamburg Rahmendaten Projektleitung: Prof. Dr. Wolfgang Ruck Fördersumme: 2,2 Mio. Laufzeit:

3 Mögliche Einbindung der Thermischen Batterie in das Energienutzungskonzept für ein Einfamilienhaus Verbrauch Wärme Strom Thermische Batterie Mikro-BHKW Grafik: Holger U. Rammelberg Die Thermische Batterie übernimmt eine Speicher- und Regelfunktion. 2

4 Das Grundprinzip des Wärmespeichers basiert auf der Trennung und Zusammenführung der Reaktanden Speichermaterial und Wasser. Beladen (Wärmespeicherung) Entladen (Wärmefreisetzung) Kondenser Verdampfer Speicher Speicher H 2 O H 2 O Im Speicher läuft dabei eine chemische Reaktion ab, die reversibel ist. 3

5 Folgende Kompetenzfelder sind zur Entwicklung der thermischen Batterie notwendig: 1. Materialkompetenz 2. Speicherkompetenz 3. Systemkompetenz Die unterschiedlichen Abstraktionsebenen erfordern ein interdisziplinäres Team. Nur bei gleichzeitiger Bearbeitung aller Kompetenz kann eine erfolgreiche und anwendungsbezogene Speicherentwicklung erfolgen! 4

6 Das Team des Kompetenztandems Thermische Batterie ist interdisziplinär aufgestellt. Team Kompetenztandem Thermische Batterie Wissenschaftliche Leitung Prof. Dr. Wolfgang Ruck Projektleiter Prof. Dr. Lingai Luo Internat. Partnerin Prof. Dr. Frédéric Kuznik Internat. Partner Internationale Tandempartner Operative Leitung Dr. Thomas Schmidt Projektkoordinator, Gruppenleiter Cord Brockmann Business Development Agent (BDA) Team Dipl.-Ing. Christian Rohde Dr. Edem Kokouvi N Tsoukpoe Dipl.-Chem. Holger Urs Rammelberg Dipl.-Chem.. Beatriz Amanda Watts Dipl.-Phys. Armand Fopah Lele Dipl.-Ing. Kathrin Korhammer Dipl.-Ing. Thomas Rönnebeck Dipl.- Umweltwiss. Kristina Belz Dipl.- Umweltwiss. Oliver Opel 5

7 Kompetenzen: 1. Materialkompetenz 2. Speicherkompetenz 3. Systemkompetenz

8 Die thermochemische Wärmespeicherung beruht auf einer reversiblen chemischen Reaktion unter Speicherung und Freisetzung großer Wärmemengen. Entladen H 2 O (g) Wärme Salz (MX) Salzhydrat (MX * y H 2 O) H 2 O (g) Wärme Laden Nahezu keine Langzeit-Wärmeverluste Wärmefreisetzung über Wasserkonzentration steuerbar Temperaturlevel der Be- und Entladung über Materialwahl steuerbar Sehr hohe Energiespeicherdichte im Vergleich zu physikalischen Speichern 7

9 Die Materialcharakterisierung im kleinen Maßstab erfolgt in einer Thermowaage, die mit einem Kalorimeter gekoppelt ist. Geräteeigenschaften: Temperaturbereich: C Heizraten: 0, K/min Feuchtigkeitsgenerator für 0-100% rel. Luftfeuchtigkeit Präzision der Massenbestimmung: ± 1,0 µg (Typische Massenänderungen: 2-8 mg) Präzision des Kalorimetriesignals: ± 0,1 mw (Typische Wärmeleistung: 2-10 mw) 8

10 Die Dehydratation und Rehydratation von Magnesiumchlorid-Hexahydrat veranschaulicht das Funktionsprinzip. Dehydratation von Magnesiumchlorid und Wasser MgCl 2 6 H 2 O MgCl 2 5 H 2 O + H 2 O MgCl 2 5 H 2 O MgCl 2 4 H 2 O + H 2 O MgCl 2 4 H 2 O MgCl 2 2 H 2 O + 2 H 2 O Hydratation von Magnesiumchlorid MgCl 2 2 H 2 O + 4 H 2 O MgCl 2 6 H 2 O 9

11 Für die Prozessplanung und Reaktorauslegung müssen verschiedene Parameter berücksichtigt werden. Reaktionsdauer Umsatz Chem. Gleichgewicht Temperatur Feuchte Wärme Reaktionsenthalpie Reaktionskinetik Leistung Molekularkinetik Diffusion Makrokinetik Stofftransfer Transferzeit Verdampfungswärme Mikro- Wärmetransfer Konvektion Makro- Wärmetransfer Wärmeleitung Wärmestrahlung 10

12 Kompetenzen: 1. Materialkompetenz 2. Speicherkompetenz 3. Systemkompetenz

13 Simulationen der Wärme- und Stofftransportprozesse der Thermischen Batterie unterstützen das Verständnis der komplexen Vorgänge. Multiphysik-Simulationen mit COSMOL Multiphysics TCM 1 Thickness of the tube Heating Fluid Wesentliche Schritte des Wärmespeicherprozesses: Reaktionskinetik und Gleichgewichtslage Wasserdampftransport innerhalb des Wärmespeichermaterials (Druckverlust, Diffusion) Wärmetransfer innerhalb des Materials Übertragung von der / auf die Reaktorwand Wärmeleitung innerhalb der Reaktorwand Übertragung vom / auf das Wärmeträgerfluid Die Optimierung von Wärme- und Stofftransport ist essentiell für einen leistungsfähigen Wärmespeicher! 1) TCM: Thermochemisches Speichermaterial (thermochemical material) 12

14 Untersuchungen des Einflusses von Wasserdampftransport und Wärmeleitung im kg-maßstab erfolgen in der Labortestanlage. Fin heat exchanger Copper/alu: 1 m² 100 x 95 x 300 (L x l x H) Spacing: 8 mm Wire mesh (200/315 µm) Stainless steel shell (DN 200; L = 400 mm) Temperature sensor (12) Pressure sensor Insulation (EPDM 32 mm, λ = W m -1 K -1, μ ) 13

15 Kompetenzen: 1. Materialkompetenz 2. Speicherkompetenz 3. Systemkompetenz

16 Beladung der thermischen Batterie im Haus mit BHKW-Überschusswärme: Initial Erzeuger Verbraucher Heizung Q use TB Exhaust gas Q über WW Speicher Abwasser Brennstoff BHKW (an) Q use Netz P el Strom

17 Entladung der thermischen Batterie im Haus bei abgeschaltetem BHKW: Initial Erzeuger Verbraucher Q use Heizung TB Q use Exhaust gas WW Speicher Abwasser Brennstoff BHKW (aus) Netz Strom

18 Der Ansatz der thermischen Batterie zur kompakten und verlustarmen Wärmespeicherung hat auch in anderen Anwendungsfeldern Potential: FVV-Projekt Chemische Wärmespeicher Kooperation mit der TU Braunschweig, Institut für Verbrennungskraftmaschinen Start: vorauss Projektziel: Reduktion von Emissionen durch Vorheizen in der Abgasnachbehandlung AP1: Potentialanalyse der Speichermaterialien AP2: Materialcharakterisierung und Upscaling AP3: Demonstratorbau Effekt des Vorheizens: without preheating SULEV-limiting value (NMOG) with preheating Dieses Projekt bietet gleichzeitig die Möglichkeit zur Intensivierung der Materialforschung im Mittel- und Hochtemperaturbereich!

19 Aktueller Stand und geplante zukünftige Aktivitäten Das wurde erreicht: Ausbau der Speichermaterial-Kompetenz Aufbau von Speichersystem-Kompetenz Breite Materialanalyse und einmalige Dokumentationstiefe Dokumentation der Leistungsfähigkeit vorselektierter Speichermaterialien Optimierung der Prozessführung mittels Labortestanlage Starkes Netzwerk durch engagierte Partner in den Bereichen Speicher und System Bewertung verschiedener Anwendungsszenarien im Hausenergie-Bereich Bewertung alternativer Anwendungen Hier wollen wir ansetzen: Bewertung weiterer Einsatzfelder und Aufbau entsprechender Kooperationen Vorbereitung der Technologievermarktung und Einbindung weiterer Partner Prüfung der Option gemeinsamer Forschungsprojekte mit Wirtschaft und Instituten Bewertung der weiterer Anwendungsoptionen, z.b.: Großspeicher für Strom und Wärme Industrielle Abwärmenutzung Mobile Wärme

20 Thomas Schmidt Leuphana Universität Lüneburg Foto: Wolf-Ulrich Palm Fragen oder Anmerkungen? Kontakt: