Thermische Energiespeicher mit hohen Energiedichten

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1 Thermische Energiespeicher mit hohen Energiedichten Ergebnisse aus dem seit 6 Jahren laufenden IEA SHC Task42 Wim van Helden AEE - Institute for Sustainable Technologies A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 2 AUSTRIA Anteil Wärme EU Primärenergieverbrauch 2008 Transport 31% Wärme 49% Elektrizität 20%

2 Thermische Speicher: Schlüsseltechnologie Saisonale Warmespeicher Sommerwärme verschiebenauf den Winter Volumen(m 3 ) notwendig für ein sehr energieeffizientes Haus sensible latent chemical

3 Intelligente Netze Anteil erneuerbare elektrische Quellen steigt Mehr Schwankungen Wärmespeicher vergrößern Flexibilität Mit Wärmepumpen, mit (mikro)kwk Durch höherer Anteil erneuerbare Wärme Mit geringeren Kosten als E-speicher Thermische Energie Speicher Prinzipien h=gespeicherte wärme Kompakte TES Fühlbare Wärme - Prinzip: Wärmekapazität - Fässer, Aquifers, Erdsonden Latentwärme - Prinzip: Phasenwechsel(schmilzen, verdampfen, kristallisieren) - Wasser, Organische und Anorganische PCMs Thermochemische Wärme (Sorptionswärme und Chemische Wärme) - Prinzip: Physikalischer(adhesion) oder Chemikalischer bund (Reaktionsenthalpie) - Adsorptionund Absorptionund chemische Reaktionen h h T T T

4 Classification of Thermal Energy Storage Entwicklungsstand von TES Technologien Wasser (sensibel) PCM (latent) Sorption TCM (chemisch) Marktreif Demonstration Entwicklung Forschung CHARGE + heat + STORE DISCHARGE + + heat

5 Heat in water Water is the traditional heat storage medium High heat capacity 4.2 kj/kgk Low cost Non-toxic Very abundant Also heat transfer fluid Kosten von große Wasserspeicher Quelle: Solites

6 Phasenwechsel Materialien PCM Gespeicherte Wärme als funktion der Temperatur Latente Wärmespeicherung in Eis Eisspeicheran Kühlmaschinenangekoppelt. Nachtbetrieb auf billige Elektrizität; tagsüber kühlen. Speicher fur mit Wasser gefüllte polyethylen Bälle, 2 Projekte in den USA.

7 Thermochemische Wärmespeicherung Generellprinzip A + B AB + Wärme Komponenten getrennt gespeichert ohne Wärmeverlusst CHARGE + heat + Langzeitspeicherung STORE Laden mit Temperaturen höher als 100ºC Speicherkapzitätzwischen250 und 4000 kj/kg DISCHARGE + + heat Thermochemische Speichermaterialien Sorption Silicagel, zeolite, NaOH, LiBr,... Salzhydrate MgSO4, MgCl, Na2S, CaSO4, CaCl,... Chemische Reaktionen Ammonium, Oxid-Hydroxid,...

8 Forschung und Entwicklung International Zwei Programme des International Energy Agency (IEA): Energy Conservation through Energy Storage Solar Heating and Cooling Compact Thermal Energy Storage: Material Development for System Integration Task4224 Bessere Speichermaterialien Systementwicklung Januar 2009 Dezember 2012 Wichtigster Mehrzweck: Zusammenbringen von Experten in Anwendungen und Materialien

9 Struktur der Task Entwicklungsgebiete Materialien - Verbessern der Leistung (Kapazität, Leistung) - Kostenveringerung (Basismaterialien, Fertigungstechnologie) Komponente - Wärmetauscher - Stofftransport - Sensorik, Reglung Systeme - Integration - Reglung

10 System Optimierung Modellierung von PCM Speicher PCM in Behälter Speicherim System i = N PCM UA i m, h, T PCM PCM PCM ik ik ik h, T i i m i k = 1 k = n r i = 2 i =1 System Optimierung Kompakte Speicher in Fernwärmenetze Ambient Air (30 C, 60% RH) HEX TCS Cold recovery Heat exchanger Humidifier (adiabatic cooling) Supply air Building District Heating Humidifier (indirect evaporative cooler) Exhaust air (24 C, 50% RH)

11 costs per installed capacity ( /kwh) B. Storage costs vs. cycles per year Industry case (10% interest rate, 5 a payback period) ,1 EMPA NaOH; 1; 9 Uni Zarag. PCMAir; 30; 150 Uni Bayr. NaOAc; 100; 17 VITO RT58; 200; 81 ZAE MobS; 200; 50 GREA VDSF; 240; 533 ZAE Zeolite; 500; 33 VITO TubeICE; ZAE SolCool; 200; ; cycles per year Materialforschung Identifizierung von vielversprechende Materialien Entwicklung neue Materialien AlPO, SAPO, MOF zeolite composites

12 Material optimierung Entwicklung von Kompositmaterialien Optimierung von Materialeigenschaften Multi-scale numerische modellierung Entwicklung von Methoden zur Characterisierung 1 mm 1 mm 1 mm Material Entwicklung: Komposite NIC, National Institute of Chemistry, Slovenia Neues Kompositmaterial erzeugt und getestet CaCl in ein mesoporös geordnetes Matrix durch naß impregnieren Wasser aufname verbessert 1,0 Ads. mass (g/g) 0,8 0,6 0,4 40 o C matrix composite 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Relative pressure (P/Po)

13 Komponent Entwicklung Reaktor Entwurf und Optimierung Leistung, Speicherdichte, Stabilität Verschiedene Prototypen offen, geschlossen separat, integriert Komponent Entwicklung Reaktor Entwurf und Optimierung Leistung, Speicherdichte, Stabilität Verschiedene Prototypen offen, geschlossen separat, integriert

14 Komponent Entwicklung TNO, Niederlande Reaktor für Salzhydrate, 20 liter Zeolite Kugeln auf Wärmetauscher geklebt Komponent Entwicklung ZAE Bayern, Deutschland Mobiler Wärmespeicher mit Festbett Sorptionsmaterial. Abwärme insbesondere für Trocknungsprozesse.

15 Ausblick Task4229 ist Nachfolgeprojekt von Task4224 Mehr als 40 Organisationen aus 17 Länder Januar 2013 Dezember 2015 Weiterentwicklung von Materialien, Komponente und Systeme. Österreichische Beteiligung am Task F&E Einrichtungen Universität Innsbruck ASiC AIT IWT, TU Graz AEE INTEC T42 arbeiten werden unterstützt vom BMVIT