Einsatzmöglichkeiten von Wärmespeichern in industriellen Prozessen. DLR Institut für Technische Thermodynamik

Transkript

1 Einsatzmöglichkeiten von Wärmespeichern in industriellen Prozessen DLR Institut für Technische Thermodynamik Dr. Ing. Markus Eck 12. März 2014

2 Folie 2 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Gliederung - Warum werden thermische Energiespeicher benötigt? - Welche industriellen Prozesse eignen sich? - Welche thermischen Energiespeicher eignen sich? - Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR? - Zusammenfassung und Ausblick?

3 Folie 3 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Warum werden thermische Energiespeicher benötigt? Zukünftiger Wärmebedarf und Speicher - Senkung des Wärmebedarfs durch Effizienzsteigerung - Zunahme des Anteils der erneuerbaren Energien an der Wärmeversorgung Durch Speichereinsatz: - Ausnutzung zusätzlicher Integrationsmöglichkeiten - Flexibilisierung der Prozesse Wärmebedarf [PJ] Effizienzsteigerung Geothermie Solar Biomasse Fossil - Nutzung regenerativer Energien Jahr Quelle:

4 Folie 4 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Warum werden thermische Energiespeicher benötigt? Nutzung solarer Prozesswärme Angebot (Solarwärme) Solarstrahlung [W/m2] Solarstrahlung [W/m2] Zeit [h] Zeit [h] Thermischer Speicher Leistung [%] Leistung [%] Zeit [h] 0 1 Zeit [h] 2 3 Nachfrage (Prozesswärme) Quelle: Deutscher Wetterdienst, Testreferenzjahre 2004

5 Folie 5 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Warum werden thermische Energiespeicher benötigt? Ausnutzung zusätzlicher Integrationsmöglichkeiten Angebot (Abwärme) Leistung [%] Leistung [%] Zeit [h] Zeit [h] 2 3 Thermischer Speicher Leistung [%] Leistung [%] Zeit [h] 0 1 Zeit [h] 2 3 Nachfrage (Prozesswärme)

6 Folie 6 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Warum werden thermische Energiespeicher benötigt? Ausnutzung zusätzlicher Integrationsmöglichkeiten 100 Thermischer Speicher Leistung [%] Leistung [%] Zeit [h] Nachfrage (Prozesswärme) Zeit [h] 2 3

7 Folie 7 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Warum werden thermische Energiespeicher benötigt? Flexibilisierung der Prozesse Wärme Thermischer Speicher Strom Kälte

8 Folie 8 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche industriellen Prozesse eignen sich? Wärmemengen nach Temperaturniveau - Zahlreiche potenzielle Industrieprozesse - Großes Temperaturspektrum Energieverbrauch für Prozesswärme [PJ] Quelle: Technology orientated analysis of the emission reduction potentials in the industrial sector in the EU-27 Ralf Kuder, , Stockholm

9 Folie 10 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche industriellen Prozesse eignen sich? Heizwerke (in Kooperation mit STEAG New Energies GmbH) - Insgesamt 63 Anlagen (1.963 GWh th, 960 Gwh e ) - Einteilung in sechs Gruppen (je nach Vergütungsmodell, Wärmeerzeugung und Kundenstruktur) - In fünf der sechs Gruppen waren mögliche Maßnahmen bereits umgesetzt oder nicht sinnvoll - Speichereinsatz sinnvoll bei Heizkraftwerk Gefördert durch: aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

10 Folie 11 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche industriellen Prozesse eignen sich? Heizwerke (in Kooperation mit STEAG New Energies GmbH) - Insgesamt 63 Anlagen (1.963 GWh th, 960 Gwh e ) - Einteilung in sechs Gruppen (je nach Vergütungsmodell, Wärmeerzeugung und Kundenstruktur) - In fünf der sechs Gruppen waren mögliche Maßnahmen bereits umgesetzt oder nicht sinnvoll - Speichereinsatz sinnvoll bei Heizkraftwerk Gefördert durch: aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

11 Folie 12 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche industriellen Prozesse eignen sich? Heizwerke (in Kooperation mit STEAG New Energies GmbH) - Insgesamt 63 Anlagen (1.963 GWh th, 960 Gwh e ) - Einteilung in sechs Gruppen (je nach Vergütungsmodell, Wärmeerzeugung und Kundenstruktur) - In fünf der sechs Gruppen waren mögliche Maßnahmen bereits umgesetzt oder nicht sinnvoll - Speichereinsatz sinnvoll bei Heizkraftwerk Gefördert durch: aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

12 Folie 14 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche industriellen Prozesse eignen sich? Zwischenfazit Anwendungen Ein Speichereinsatz ist sinnvoll wenn: - die energetische Prozessintegration ausgeschöpft ist - eine hinreichend große Abwärmemenge vorliegt - ein lokaler Energiebedarf besteht - Angebot und Nachfrage zeitlich nicht zusammenfallen

13 Folie 15 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche thermischen Energiespeicher eignen sich? Welche Anforderungen werden an therm. Energiespeicher gestellt? Anwendungen Speicherprinzip o o o o Anforderungen Temperatur Wärmeträgerfluid Lade-/Entlade- Charakteristik Speicherkapazität Sensible Wärme Latent Wärme Reaktions Wärme

14 Folie 16 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche thermischen Energiespeicher eignen sich? Aktuelle Speichertechnologien Regeneratorspeicher - Gasförmige Arbeitsmedien - Hohe Temperaturen Flüssigsalzspeicher - Mittlere Temperaturen - Hohe Kapazitäten Ruths-Speicher (Gefällespeicher) - Dampf als Arbeitsmedium - Moderate Drücke

15 Folie 17 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR? Allgemeiner Ansatz - Großforschungsrelevante Themen - Abdeckung aller Entwicklungsaspekte - Vom Labormaßstab bis zur industriellen Umsetzung

16 Folie 18 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR? Regeneratorspeicher Herausforderungen - Günstige Speichermaterialien - Thermo-mechanische Belastungen - Entwurfsgrundlagen lückenhaft Methoden - Untersuchung von Natursteinen - Messung und Simulation der thermomechanische Belastungen - Strömungssimulation - Auslegung, Bau und Betrieb eines Demonstrators im Technikumsmaßstab

17 Folie 19 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR? Flüssigsalz-Speicher Herausforderungen - Materialkompatibilität (Korrosion) - Thermische Stabilität der Salze - Kostensenkung Methoden - Korrosionsuntersuchungen - Untersuchung des chemischen Verhaltens bei hohen Temperaturen - Untersuchung alternativer Salzsysteme - Untersuchung alternativer Speicherkonzepte - Planung, Bau und Betrieb eines Demonstrators im Technikumsmaßstab

18 Folie 20 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR? Phasenwechsel Speicher (PCM) Grundprinzip - Isotherme Speicherung - Nutzung der Phasenwechselenthalpie (fest/flüssig) Vorteile - Große Wärmemenge in kleinem Temperaturbereich - Ideal für isotherme Prozesse (Verdampfung/Kondensation) - Vielzahl von Materialien für unterschiedliche Einsatztemperaturen Enthalpy [J/g] KNO 3 -LiNO 3 LiNO 3 LiNO 3 -NaNO 3 NaNO 2 NaNO KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 KNO 3 -NaNO 3 KNO Temperature [ C]

19 Folie 21 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR? Phasenwechsel Speicher (PCM) Herausforderungen - Materialkompatibilität - Geringe Wärmeleitfähigkeit - Systemintegration Methoden - Einsatz innovativer Wärmeleitkonzepte - Entwicklung innovativer Speicherkonzepte - Planung, Bau und Betrieb von Demonstratoren - Einsatz im Heizwerk der STEAG New Energies GmbH

20 Folie 24 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR? Thermochemische Speicher Grundprinzip - Reversible Gas-Feststoffreaktion - Gase: Wasserdampf, Sauerstoff, Wasserstoff Vorteile - Hohe Speicherdichte - Langzeitspeicherung möglich - Sehr günstiges Speichermedium bspw. CaO/Ca(OH) 2 - Temperaturen Umg C - Wärmetransformation A+B Reaktor kw AB + Wärme AB fest B gas A fest Speicher kwh/m 3

21 Folie 25 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR? Thermochemische Speicher Herausforderungen - Speichermaterial (Zyklenstabilität, Kinetik, etc.) - Reaktionsführung (Wärme- und Stofftransport) - Prozessintegration (Gas handling) Methoden - Charakterisierung und Modifikation des Speichermaterials - Entwicklung und Untersuchung von Reaktorkonzepten - Untersuchung der Wärmetransformation

22 Folie 26 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Zusammenfassung - Breites Anforderungsspektrum für thermische Energiespeicher - Es gibt nicht die eine Speicherlösung für alle Anforderungen - Aktuelle Entwicklungstendenzen - Kostensenkung etablierter Technologien - Entwicklung innovativer Speicherkonzepte (höhere Speicherdichte, angepasste Betriebscharakteristik ) - DLR adressiert die wesentlichen offenen Fragen von der Grundlagenentwicklung bis zur Anwendung

23 Folie 27 > DLR Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > Ausblick Aus Industrieprozessen liegen i.d.r. vor: - Integrale Wärmemengen - Geordnete Jahresdauerlinien Für Speicherintegration werden benötigt: - Zeitlich aufgelöste Daten der relevanten Prozessparameter Detaillierte Prozessanalyse erforderlich

24 Diskussion Dr.-Ing. Markus Eck Dr.-Ing. Antje Wörner