Thermische Energiespeicher für Industrie und Kraftwerke

Transkript

1 Thermische Energiespeicher für Industrie und Kraftwerke Wolf-Dieter Steinmann Institut für Technische Thermodynamik ZERØ EMISSION CITIES Wien 6.November 2013

2 Einsatz von thermischen Speichern im Kraftwerksbereich Wien-Simmering 1937 Dampfspeicheranlage der Wiener städtischen Elektrizitäts-Werke Betriebsdruck: 120 bar Kapazität: 4 MWh Gesamtmasse: 240 t Länge: 11 m Höhe: 7 m Wanddicke 7,2 cm Bodendicke 30 cm

3 Einsatz von thermischen Speichern im Kraftwerksbereich Phönix 2014 Source: Abengoa Solar

4 Thermischen Energiespeicher Option für verbessertes Energiemanagement Wärmestrom zum Verbraucher Speicher Wärmequellen Abwärme G Wärmesenken/-verbraucher

5 Thermische Energiespeicher für mittlere und hohe Temperaturen verschiedene Anwendungen verschiedene Kombinationen von Anforderungen Solarthermische Kraftwerke Flexibilität Kraftwerke Prozessindustrie Abwärmeverstromung Prozessindustrie Stromspeicher Quelle: BSE BADISCHE STAHL ENGINEERING GMBH Quelle: BSE BADISCHE STAHL ENGINEERING GMBH Thermomanagement Auto Quelle: STEAG New Energies GmbH Quelle: Xella Deutschland GmbH Quelle: Xella Deutschland GmbH Abwärmeintegration

6 Thermische Energiespeicher für mittlere und hohe Temperaturen verschiedene Kombinationen von Anforderungen verschiedene Speicherkonzepte Flüssigsalz Betonspeicher Latentwärmespeicher Packed bed Thermochemische Speicher Dampfspeicher

7 Anwendungsbereiche für thermische Energiespeicher Auswahl Solarthermische Kraftwerke Prozessindustrie Stromspeicher

8 Integration thermischer Energiespeicher in Solarthermische Kraftwerke

9 Das solare Energieangebot Globaler Bedarf elektrische Energie: TWh Thermische Solarkraftwerke Geschätztes wirtschaftlich nutzbares Potenzial: TWh

10 Was sind solarthermische Kraftwerke? Vergleich mit konventionellem Kraftwerk Netz Wärmequelle Gas Öl Überhitzer Kohle Uran Biomasse Brennstoff Turbine Verdampfer Kondensator Generator Kühlturm Müll Vorw ärmer Speisewasser - pumpe

11 Solarthermische Kraftwerke Konzentrierte Solarstralung als Wärmequelle Netz Überhitzer Brennstoff C Turbine Verdampfer Kondensator Generator Kühlturm Vorw ärmer Speisewasser - pumpe

12 Receiverkonzepte für solarthermische Kraftwerke Parabolrinne Solarturm Linear Fresnel Dish-Stirling Bis 550 C Dampfturbinen Bis 1000 C Gasturbinen, Stirlingmotoren

13 Solarthermische Kraftwerke mit integrierter Speichkapazität Energiespeicher h 2000 h Receiversystem Kraftwerksblock

14 Wozu benötigen wir Speicherkapazität bei regenerativen Energiesystemen? Typische Anzahl von Volllaststunden Fossil Fossil befeuert: Grundlast > 6000 h Spitzenlast < 2000 h Erneuerbare ohne Solarthermisch Grundlast > 5000 h Speicher: mit Speicher: 3500 h Spitzenlast< 2000 h PV 1500 h Wind (onshore) 2000 h Solarthermische Kraftwerke(CSP) mit Speicher 4000 h

15 Speicherkonzepte für Solarthermische Kraftwerke Direkter Speicher mit Mineralöl (1984)

16 Speicherkonzepte für Solarthermische Kraftwerke Indirekter Speicher mit Salzschmelze Speichersystem

17 Stand der Technik: Zweitankkonzept mit Flüssigsalz Speicherkapazität 1010 MWh (7.7h) Salzinventar t Nitratesalze (60% NaNO3 + 40% KNO3) Tankvolumen m³ Temperaturen 290 C / 380 C Tank Ø 38 m, Höhe 15 m Source: Flagsol GmbH

18 Speicherkonzepte für Solarthermische Kraftwerke Speicher mit Beton als Speichermedium Rohrregister vor Vergießen Beton Speicher vor Aufbringen der Isolierung

19 Speicherkonzepte für Solarthermische Kraftwerke CellFlux-Konzept: Günstige Speichermaterialien, Luft-Zwischenkreislauf Pilotanlage 100 kw, 400 C Luft Speichermaterial Wärmeübertrager

20 Speicherkonzepte für Solarthermische Kraftwerke Dampf als direktes Arbeitsmedium: Ruths-Speicher Druckwasser als Speichermedium Beladung: Sattdampf Entladung: Sattdampf

21 Speicherkonzepte für Solarthermische Kraftwerke Dampf als direktes Arbeitsmedium: Latentwärmespeicher Beripptes Rohrkonzept in 5 Testmodulen mit kg PCM demonstriert Weltweit größter Hochtemperatur- Latentwärmespeicher mit 14 Tonnen NaNO 3 (700 kwh) in 2010/2011 erfolgreich getestet (2949 h, 95 Zyklen)

22 Transfer Speichertechnik in Anwendungsbereich fossiler Kraftwerkstechnik bei KWK: zeitliche Entkopplung von Wärme- und Stromabgabe Verbesserung Dynamik von Kraftwerken Bei Gasturbinen: Speicherung der Abgaswärme für spätere Verstromung durch Dampfturbine KWK Wärmespeicher G G G

23 Transfer Speichertechnik in Anwendungsbereich Prozessindustrie 1.Batch-Prozesse: Verfügbare Abwärme stimmt zeitlich nicht mit Bedarf überein

24 Beispiel Batchprozess: Herstellung von Porenbeton / Kalksandstein Hydrothermale Härtung in Autoklaven unter Dampfatmosphäre Produktion Deutschland: Porenbeton ca. 3.5 Mio. m³ Kalksandstein ca. 6 Mio. t Druck [bar] Druck [bar] relativer relativer Massenstrom Dampfmassenstrom [-] Zeit [h] Zeit [h] Zeit [h] Zeit [h] Struktur Energieverbrauch Dampferzeugung 87%

25 Abschätzung Potenzial Speichereinsatz: Herstellung von Porenbeton / Kalksandstein Hydrothermale Härtung in Autoklaven unter Dampfatmosphäre PCM PCM Dampferzeuger Autoklave 5 bar 8 bar ohne Speichereinsatz: 70 % Dampfbedarf aus Dampferzeuger mit Speichereinsatz: 40 % Dampfbedarf aus Dampferzeuger Energiebedarf um 42 % reduziert

26 Transfer Speichertechnik in Anwendungsbereich Prozessindustrie 2.Nutzung diskontinuierlicher Abwärme Industrieprozess Wärmeübertrager Speichersystem Speichersystem Kreisprozess G Abwärme Leistung Zeit Speicherunterstützte Verstromung von Abwärme

27 Transfer Speichertechnik in Anwendungsbereich Prozessindustrie Nutzung diskontinuierlicher Abwärme / Beispiel Elektrostahl Deutschland: 27 Anlagen global: ca Lichtbogenöfen

28 Transfer Speichertechnik in Anwendungsbereich Prozessindustrie Nutzung diskontinuierlicher Abwärme / Beispiel Elektrostahl Flüssigsalz-Kreislauf Elektrodenhalterung Wärmeübertrager Elektroden Abgasrohr Heißtank Heißtank Lichtbogen Schmelze Flüssigsalzspeicher mit 5.6 t Salz ermöglicht kontinuierliche Abgabe von 2.8 MW elektrischer Leistung Kalttank Dampfkreislauf G

29 Einsatz thermischer Speichertechnik für Stromspeicherung Adiabate Druckluftspeicherung (CAES) Verbesserung des Speicherwirkungsgrades gegenüber heutigen CAES-Systemen durch Integration eines thermischen Speichers Druckfester Hochtemperatur-Speicher

30 Thermische Energiespeicher für Stromspeicherung Innovatives Konzept: Thermomechanisches Energiespeicherung auf Basis Wärmetransformation Beladung: Niedertemperatur-Dampf wird mit elektrischer Energie verdichtet Im Latentwärmespeicher wird der verdichtete Dampf kondensiert

31 Thermische Energiespeicher für Stromspeicherung Innovatives Konzept: Thermomechanisches Energiespeicherung auf Basis Wärmetransformation Entladung: Wärme aus Latentwärmespeicher wird zur Dampferzeugung genutzt Dampf treibt Turbine an

32 Thermische Energiespeicher für Stromspeicherung Innovatives Konzept: Thermomechanisches Energiespeicherung auf Basis Wärmetransformation Verfügbarkeit Latentspeicher ermöglicht Entwicklung innovativer Stromspeicher keine Anforderungen an Geologie Realisierung über weiten Leistungsbereich Maximaltemperaturen < 350 C Großteil der erforderlichen Komponenten entspricht dem Stand der Technik hohe Zyklenzahl (>10000) Einbindung Niedertemperaturwärme bei der Beladung ermöglicht Kompensation Verluste

33 Zusammenfassung und Ausblick Thermische Energiespeicher für mittlere und hohe Temperaturen haben im Bereich der solarthermischen Kraftwerke kommerziellen Status erreicht Neben einer Weiterentwicklung in diesem Bereich erfolgt aktuell eine Übertragung dieser Speichertechnologie in andere Anwendungsbereiche Die Auswahl des Speicherkonzeptes in Abstimmung auf die spezifische Anforderungen einer Anwendung ist wesentlich Speicher ermöglichen eine Erhöhung der Flexibilität von Kraftwerken Die Nutzung von Abwärme in Industrieprozessen wird durch den Einsatz von Speichern verbessert Thermische Energiespeicher ermöglichen die Realisierung neuer Konzepte für die Stromspeicherung im Kraftwerksmaßstab