Wärmespeicher in der Industrie für flexible Sektorkopplung

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1 Wärmespeicher in der Industrie für flexible Sektorkopplung Dr. Matthias Rzepka (ZAE Bayern) Prof. Dr. Thomas Wetzel (KIT) Dr. Felina Schütz (GFZ) Dr. Uwe Bau (FZ Jülich) Dr. Volker Lenz (DBFZ) Agenda: Sektorkopplung und Wärmespeicher Technologien / Projekte Anna Kallert (IEE) Sebastian Herkel (ISE) Prof. Dr. Oliver Kastner (ISFH)

2 CO2 concentration atmosphere Kyoto 2 Kyoto-Protkoll Kyoto 1

3 CO2 emission worldwide Kyoto-Protkoll Kyoto 1 Kyoto 2

4 CO2 emission Germany Energy supply for different sectors Electricity 280 Mio t Thermal 260 Mio t 750 Mio t CO 2 p.a. 210 Mio t Mobility

5 Renewable Energies Germany Fossil & nuclear Renewable 36% Energy supply for different sectors Electricity PV Wind Water Biomass 280 Mio t Solarthermal Geothermal Biomass Renewable 13% Thermal 260 Mio t Gas Oil Coal Fossil 750 Mio t CO 2 p.a. 210 Mio t Biofuel Renewable 5% Mobility Gas Oil Fossil

6 Renewable Energies Germany Fossil & nuclear Electricity Renewable 36% PV Wind Water Biomass Share of Renewable Energies has to be increased in ALL sectors Solarthermal Geothermal Biomass Renewable 13% Thermal Gas Oil Coal Fossil Biofuel Renewable 5% Mobility Gas Oil Fossil

7 Sector coupling Fossil & nuclear Electricity Renewable PV Wind Water Biomass Thermal Mobility Solarthermal Geothermal Biomass Renewable Gas Oil Coal Fossil Biofuel Renewable Gas Oil Fossil

8 Flexible sector coupling Fossil & nuclear Electricity Renewable PV Wind Water Biomass Energy Storage Energy Storage Thermal Mobility Solarthermal Geothermal Biomass Renewable Gas Oil Coal Fossil Biofuel Renewable Gas Oil Fossil

9 Benefit of thermal storage Close the gap between supply and demand Support the integration and utilization of renewable sources Increase efficiency of power utilization:1 kwh of renewable electricity can replace 2-4 kwh gas/oil (heat pumps) Inexpensive storage solutions Many storage applications (Buildings & Industry) Many storage technologies (sensible / latent / thermo chemical)

10 (End-) energy demand Germany PJ

11 (End-) energy demand Germany 2050 Increasing share of process heat

12 Potential of thermal storage Theoretical potential TWh Technical potential??? TWh Economical potential klein

13 Anforderungen an den Speicher Hohes Temperaturniveau Kostengünstiges Speichermedium Kostengünstiges Speichersystem Integrierbar in bestehende Prozesse Großes Flexibilitätspotential

14 Flüssigmetalltechnologie für thermische (Hochtemperatur)-Speicher Wärmespeicherung im MWh-Maßstab bei C Herausragende Wärmetransporteigenschaften der Flüssigmetalle Enabling Technology zur Extraktion und Wiedernutzung von Hochtemperatur-Wärme Eintankspeicher Schüttbettspeicher mit Zinn oder Blei für große Energiemengen Natrium mit floating insulating barrier für hohe Dynamik LIMCKA Liquid Metal Competence Platform Karlsruhe Nutzungsoptionen Integration in bestehende Prozesse, innovative Heat2Fuel-Prozesse AMTEC (Alkali Metal Thermal Electric Converter) Heat2Power Integrierte Materialforschung Struktur Funktion Na 800 C Sn 1100 C Blei 750 C

15 Sensible thermal energy storage up to 220 C Dual-Media thermal storage Concept: Solid material replaces oil as storage media. Oil mainly used as heat transfer medium (direct contact). Discharge Charge Replacing oil by cheap solid material (e.g. rock) reduces costs Direct thermal contact between solid material and HTO enables good heat transfer Storage capacity can be increased by using suitable solid material

16 Demand Response Potential Copper Slag Cleaning Energy System Integration Flexibility of basic industrial process chains for providing dynamic system services (WP2) Copper Smelting & Refining Flowsheet Fluctuating Energy Supply Grid Services Grid Abadias, Stelter, Reuter Metallinjalostajat Ry Slag-Cleaning Furnace TT 1500 KK PP eeee = 3 MMMM Helmholtz Cooperation min h(xx, yy, uu) uu 0 = ff xx, xx, yy, uu 0 gg(xx, xx, yy, uu) Power prior /MWh Process constraints Power optimized Temperature

17 Sektorkopplung mit Wärmenetzen Teilergebnisse des Projekts Geosolare Nahwärmeversorgung für die Neubausiedlung Zum Feldlager (gefördert durch das BMWi - FKZ: 03T1336) Forschungspartner: Fraunhofer IEE, Universität Kassel, AGFW und Städtische Werke AG Kassel GeoSolCool Quelle: Fraunhofer IEE

18 Dampf-Heizkraftwerk Dampfkessel HD- Dampf Dampfturbine Generator Strom Dampf- Speicher Pufferung für einige Stunden η = 76-99% Kosten: /kwh By- Pass Wärme (Netz oder extra Wärmespeicher) mögliche Leistungsänderung ca. 300 kw/min Vergaser-KWK Biomasse Vergasung Heißes Produktgas Kühler Verstromung Brennstoff Verbrennungsluft -vorwärmung Wärme- Speicher Gasspeicher

19 Zusammenfassung Deutliche CO 2 -Reduktion nur durch flexible Sektorkopplung Herausforderung: Integration fluktuierender Erzeuger in bestehende industrielle Prozesse Vielversprechende Ansätze vorhanden Kosteneffizienz muss noch zunehmen Viele Dank für Ihre Aufmerksamkeit!