Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme

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1 Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme Rainer Tamme Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Institut für Technische Thermodynamik

2 Folie 2 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Wärmespeichertechnik für industrielle Prozesse Endenergieverbrauch 2006 in PJ Beleuchtung mech. Energie Raumwärme Prozesswärme Industrie benötigt ca. 30% Endenergie in Deutschland Bedarf an Prozesswärme dominiert 4 Sektoren benötigen ca. 50% des Energieverbrauchs Industrie Verkehr priv. Haushalte GHD Technisches Energieeinsparpotenzial in der Industrie 25% Einsparung des Energieverbrauchs im industriellen Bereich bis2030 angestrebt Schlüsselelement ist verbesserte Wärmebereitstellung und Wärmemanagement gefolgt von effizienteren und innovativen Verfahren

3 Folie 3 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Einsatzpotential thermischer Speicher (I) Abwärmenutzung Masbaum Abwärme Wärme- Speicher Wärmetransport Stromerzeugung Rückführung in den Prozess

4 Folie 4 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Einsatzpotential thermischer Speicher (II) Verbessertes Wärmemanagement Batch process Heat demand Mehr Nennlast-Betrieb höherer Wirkungsgrad Time Balancing peak demand Optimale Größe der Komponenten geringere Invest-Kosten Heat demand Höhere Lebensdauer geringere O&M Kosten Time

5 Folie 5 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Einsatzpotential thermischer Speicher (III) Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen Entkopplung von Strom und Wärmeerzeugung KWK Anlage stromgeführt betreiben Wärmeverbrauch über Speicher entkoppeln Wärmebereitstellung auf unterschiedlichem Leistungs-, Zeit- und Temperaturniveau -Wärmeverbraucher -CHP -Variable Leistung TES -Variable Zeit -Variable Temperatur

6 Folie 6 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Einsatzpotential thermischer Speicher (IV) Hochtemperatur Speicher für Kraftwerkstechnik Erhöhung der Flexibilität Spitzenlastbereitstellung Wärmespeicher KWK G G G Hochtemperatur Speicher für Adiabates Druckspeicherkraftwerk P el P el Spezifikation Wärmespeicher C bar MWh th Verdichterstrang Q möglichst geringe Zwischenkühlung Wärmespeicher Expansionsturbine Beladung des Speichers Kaverne Entladung des Speichers Beispiellayout für adiabate Druckluftspeicherkraftwerk

7 Folie 7 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Herausforderung Breiter Temperaturbereich und Anforderungsprofil Leistungsbereich von kw bis MW - Kapazität von wenigen kwh bis GWh Temperaturbereich von C Unterschiedliche Wärmeträgermedien wie: Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc. Nicht mit EINER singulären Speichertechnik abdeckbar!

8 Folie 8 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Klassifizierung von Wärmespeichern Speicherung in Form von -Temperaturbereich --50 C 100 C 500 C 1000 C Entwicklungsstand Energiedichte kwh/m 3 Fühlbare Wärme fest flüssig gering hoch Latentwärme Sorptionswärme Reaktionswärme hoch gering

9 Folie 9 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Speicher fühlbarer Wärme / Sensible Speicher Kommerziell verfügbar: Wasser Speicher < 100 C < Regenerator/Cowper Speicher Bevorzugte Anwendungen: Einphasige Wärmeträgerfluide (Wasser, Öl, Flüssig Salz, Luft, etc.) Nutzung des Wärmeträgerfluids als Speichermedium (Direkte Speicherung) Großes T zwischen Belade- und Entladetemperatur -Liquid materials molten salt HTF+ storage direct -HTF oil/steam solid material/concrete -indirect -HTF air Solid materials/ ceramics - direct -HTF air small particles direct packed bed configuration Molten Salt Storage 2 nd Generation Pilot Storage Moving bed heat exchanger

10 Folie 10 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Regenerator-Speicher / Cowper Direktkontakt-Speicher für Luft/Prozessgas-Systeme Kommerzielle Anwendungen mit Gitterstein-Besatz Cowper bei Stahlerzeugung und Kokerei Regenerator an Glaswanne Regenerative Thermische Nachverbrennung hot end Change between charging and discharging cold end Cowper at steel plant Duisburg RTO at automotive paint shop

11 Folie 11 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Verbesserung von Energiedichte und Wirtschaftlichkeit Direktdurchströmte Partikel-Schüttung Herausforderung und Risiken Thermomechanik - Hohe mechanische Spannungen für Material und Behälter Strömungsmechanik - Ungleiche Strömungsverteilung bei geringem Druckverlust Wärmetechnische Auslegung - Erfüllung von Kosten + Effizienz Zielen Materialversagen und Abrieb

12 Folie 12 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Regenerator-Schüttspeicher Auslegung Konzeptvalidierung im Technikumsmaßstab Validierung von Entwurfskonzepten in der HOTREG-Anlage des DLR - 5-Tonnen Maßstab - druckbeaufschlagt bis 10 bar - Untersuchungen mit verschiedenen Speichermaterialien und Funktionsschichten Angepasste Auslegung und Optimierung hinsichtlich: Energiedichte, Leistung Temperatur, Druck, Massenstrom Temperaturprofil, Druckverlust

13 Folie 13 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Feststoffspeicher mit Beton Präferenz für Anwendungen mit flüssigen Wärmeträgern Kostengünstiges Speichermaterial Kritische Komponente ist integrierte Wärmeübertrager Anwendungen bis > 400 C Modulare und skalierbare Auslegung von 100 kwh 100 MWh große Flexibilität hinsichtlich Standort und Grundstoffmaterialien

14 Folie 14 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Feststoffspeicher mit Beton Aktueller Status 400 kwh industriell gefertigter Pilotspeicher von Mai 2008 bis 2011 in Betrieb Speicher Kapazität: 0.65 kwh/(m 3 K) Über 10,000 Betriebsstunden, zyklische Tests bei 300/400 C Keine Degradation Temperature in C Temperature and Flow Oil temperature "hot" side Oil temperature "cold" side Flow Time in days Flow in m³/h - 2 nd Generation Pilot Storage built 2008 by

15 Folie 15 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Latentwärmespeicher PCM Speicher Präferenz für PCM Speicher bei kleinem T Betrieb mit zweiphasigen Wärmeträgerfluiden (Wasser/Dampf, ORC Medien) Schmelztemperatur muss an spezifische Anwendung angepasst sein Interner Wärmetransport ist durch Wärmeleitung im PCM dominiert Salze für T > 120 C Nitratsalze als PCM s für C 400 temperature solid phase liquid phase LiNO 3 two phase solid / liquid spec. enthalpy Enthalpy [J/g] KNO 3 -LiNO 3 LiNO 3 -NaNO 3 NaNO 2 NaNO KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 KNO 3 -NaNO 3 KNO Industrielle Prozess Wärme Temperature [ C] Kraftwerkstechnik

16 Folie 16 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Herausforderung Wärmetransport Limitierung Micro encapsulation with organics -PCM PCM composite Salt/Graphite Wärmeträger Finned tube approach

17 Folie 17 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Latentwärmespeicher oberhalb 100 C Status Verschiedene Rippenrohrkonzepte im Labor im kw Bereich erfolgreich demonstriert: - Graphite Rippen horizontal - Metallische Rippen horizontal und vertikal 5 Test Module mit kg PCM 4 Salzsysteme eingesetzt - NaNO3 - KNO3 - NaNO2 142 ºC - LiNO3 - NaNO3 194 ºC - NaNO3 - KNO3 222 ºC - NaNO3 305 ºC Weitere Auslegungskonzepte in der Entwicklung

18 Folie 18 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Latentwärmespeicher - Betriebserfahrungen 700 kwh PCM-Speichertest bar Wasser/Dampf PCM-Verdampfermodul im Betriebstest für Kraftwerksanwendungen - PCM: NaNO3 - Schmelzpunkt: 305 C - Salzvolumen: 8.4 m³ - Speicherhöhe: 7.5 m - Speicherinventar ~ 14 t - Kapazität ~ 700 kwh - Testbetrieb: Betriebsstunden; 95 Zyklen Kostengünstiges und effizientes Design mit extrudierten Längsrippen Source: DLR

19 Folie 19 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Thermochemische Energiespeicherung Anwendung reversibler Prozesse - Sorption oder chemische Reaktion Hohe Speicherdichten Verlustfreie Langzeitspeicherung Möglichkeit zur Wärmetransformation Anwendung in einem breiten Temperaturbereich (unter RT bis 1000 C) endotherm AB (s) + Wärme exotherm Entladen Beladen A (s) + B (g) Heat Transfer Fluid To Process B (g) Solid Reactant A Heat Supply (Discharge) TCS Reactor Gaseous Reactant Heat Recovery (Charge) Solid Reactant B Charge Discharge Gasdruck ( ln p ) B (g) AB (s) A (s) Feststofftemperatur ( 1/T )

20 Folie 20 > Thermische Energiespeicher zur Nutzung industrieller Abwärme, SAENA Fachtagung Dresden > Rainer Tamme > Zusammenfassung Thermische Energiespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und effektives Wärmemanagement im Bereich thermischer Prozesse für Stromerzeugung und Industrieanwendungen Für solarthermische Anwendungen zwingend erforderlich Es gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher für alle Anwendungen Wenige Thermische Speicher im Bereich > 100 C sind kommerziell verfügbar.. Aber noch zu teuer für breite Anwendung Aktuelle Entwicklungen finden erste Nischenanwendungen im Bereich Thermomanagement von Industrieprozessen (100 kw-mw Bereich) und Kraftwerkstechnik (1-100 MW) und solartehrmische Kraftwerke Strategien für Kostensenkung: - Materialien mit verbesserten thermophysikalischen Eigenschaften - effiziente Lösungen für Wärmetransport und Wärmeein- und Auskopplung - kostengünstige Speicher/Reaktor-Auslegungskonzepte - effiziente Speicherintegration

21 Danke für Ihre Aufmerksamkeit