Thermische Energiespeicher - Wohin geht die Entwicklung?

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Juliane Hennie Scholz
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1 Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. Thermische Energiespeicher - Wohin geht die Entwicklung? Andreas Hauer ZAE Bayern

2 Inhalt Motivation Wie kann thermische Energie gespeichert werden? Forschung & Entwicklung Thermische Energiespeicher: Anwendungen noch mehr Anwendungen! Zusammenfassung

3 Motivation Mehr erneuerbare Energien müssen integriert werden! Fluktuierende Energiequellen müssen ausgeglichen werden Energieeffizienz muss gesteigert werden! Ungenutzte Energien müssen nutzbar gemacht werden! Energiespeicherung!

4 Motivation Energieeffizienz muss gesteigert werden! Ungenutzte Energien müssen nutzbar gemacht werden! = Abwärmenutzung = Thermische Energiespeicher!

5 Wie kann thermische Energie gespeichert werden?

6 Thermische Energiespeicher Methoden der thermischen Energiespeicherung: Speicherung fühlbarer Wärme Speicherung latenter Wärme Thermochemische Wärmespeicherung

7 Thermische Energiespeicher Speicherkapazität vs. Temperatur 600 MgSO 4 * 6H 2 O Energiedichte / (kwh/m³) CaCl 2 *NH 3 Silicagel*H 2 O MgCl 2 * 6H 2 O NiCl 2 NH 3 Zeolith*H 2 O Nitrate 100 Salzhydrate Paraffine 0 Wasser Temperatur / C

8 Sensible Speicher Material: Wasser, Steine, Beton, Keramik, Stärken: Niedrige Kosten, robuste Technologie Schwächen: Niedrige spezifische Speicherkapazität Möglichkeiten: Hohe Entladeleistung (flüssig), hohe Speichertemperatur (fest) Herausforderungen: z.b. Thermo-mechanische Stabilität, preisgünstige Materialien für hohe Temperaturen

9 Sensible / Latente Speicher Gespeicherte Wärme Q PCM T Q Wasser Schmelztemperatur T m Temperatur

10 Latente Speicher Material: Wasser, Paraffin, Salzhydrate, Zuckeralkohole, Stärken: Hohe spezifische Speicherkapazität, fest gelegte Temperatur Schwächen: Komplexer Wärmeübergang, hohe Kosten, fest gelegte Temperatur Möglichkeiten: Hohe spezifische Speicherkapazität bei kleinen Temperaturunterschieden, passive Temperaturekontrolle Herausforderungen: niedrige Entladeleistung, Langzeitstabilität

11 Thermochemische Speicher CHARGE + heat + AB + Wärme A+B STORE Adsorption Desorption DISCHARGE + + heat ECN Wärme Adsorbens Oberfläche Wassermoleküle

12 Thermochemische Speicher Material: Zeolith/Wasser, Silicagel/Wasser, Magnesiumchlorid/Wasser, Magnesiumoxid /Wasser, Lithiumchloride/Wasser, Stärken : Hohe spezifische Speicherkapazität, keine sensiblen Verluste Schwächen : Komplexe Technologie (Prozessparameter, Reaktordesign, ) Möglichkeiten : Einstellbare Temperatur, hoher Wirkungsgrad ( Wärmepumpeneffekt ) Herausforderungen: Starke Abhängigkeit von Umbegungsbedingungen, hydrothermale Stabilität

13 Forschung & Entwicklung

14 Thermodynamische Grundlagen

15 Thermodynamische Grundlagen z.b PCMs: Semi-empirischer Ansatz von Sizmann (1989) [ MJ / m K ] Elat ( ) Tls ³ Upper Boundary Lower R. Sizmann carbonates fluorides ,2 MJ/(m3 K) melting enthalpy [MJ/m 3 ] 700 hydroxides 600 salthydrates 500 eutectic nitrates water-salt 400 solutions water sugar 300 alcohols chlorides 0.1 MWh/m 3 0,8 MJ/(m3 K) 200 paraffins clathrates fatty acids polyethylene glycols source: ZAE Bayern melting temperature [ C]

16 Materialforschung und -entwicklung

17 Material F&E Material F&E Verbesserung der Materialeigenschaften! Sensibel: Z.B. spezifische Wärmekapazität und -leitfähigkeit Latent: Z.B. Schmelzenthalpie und -temperatur Thermochemisch: Z.B. Reaktionsenthalpie und- gleichgewicht Für Alle: Z.B. Preis und Stabilität Hauptziel: höhere Speicherkapazität! Die Speicherkapazität ist keine Materialeigenschaft! Keine Zustandsgröße! sondern abhängig vom Prozess!

18 Material F&E: Sensibel Wichtigstes Speichermaterial = Wasser Weitgehend bekannt! UTES : z.b. Erdsondenspeicher Speichermaterial = Unterdrund Thermal Response Test: Zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften des Untergrunds

19 Material F&E: Sensibel Material-Screening: Nach thermischen Eigenschaften und Kosten! Hochtemperatur-beständiges Material: Asbest-Abfälle (verglast) bis 1250 C ρ*c m

20 Material F&E: Latent Ziel: Hohe Schmelzenthalpie bei der durch die Anwendung vorgegebenen Temperatur! Raumkühlung Raumheizung Schmelzenthalpie [kj/kg] pro Masse Schmelzenthalpie [kj/l] Pro Volumen Schmelztemperatur [ C]

21 Material F&E: Latent Aktuelle Fragen: Unterkühlung / Kristallisation Formstabile PCM Fest-fest-Übergänge PEG PEG + DI PEG + DI T < T PÜ T > T PÜ HMDI + PEG 1000 HMDI + PEG 6000 HMDI + PEG IPDI + PEG 1000 IPDI + PEG 6000 IPDI + PEG 10000

22 Material F&E. Themochemisch Sorption: Optimierte Zeolithe (Bindemittelfrei) AlPOs MOFs Kompositmaterialien (Kombination geeigneter Salze mit Gerüststrukturen) Binderhaltig Bindemittelfrei Wichtige Fragen: Zusammenhang Struktur- Performance? Stabilität? ITW CaCl Bentonit

23 Material F&E: Thermochemisch Chemische Reaktionen: MgO +H 2 O MgCl + H 2 O Li 2 SO 4 + H 2 O MgSO 4 + H 2 O Y. Kato ECN ECN

24 Speicherkomponenten und -systeme

25 Komponenten / Systeme: Sensibel Temperaturschichtung Schichtlade-Einheit, Skalierung SWM Superisolation Im Experiment: λ = 0,01 W/mK bei 90 C und 0,1 mbar

26 Komponenten / Systeme: Latent Verbesserung der thermischen Leistung Mikro- Makro- PCM Slurry -Verkapselung Wärmetauscher

27 Komponenten / Systeme: Thermochemisch Reaktor-Lay-out: Magnesium-Chlorid-Hexahydrat (ECN) Trennung zwischen Material Bevorratung und Reaktionszone ITW Mobiler Sorptionsspeicher mit Zeolith ECN

28 Thermische Energiespeicher Anwendungen

29 Kühlen Air Conditioning, Raumkühlung Randbedingungen: Niedrige Temperaturen: 0 C 26 C Kleine Temperaturdifferenzen (ΔT) Hohe Leistungsanforderungen Beschränkte Zyklenzahl (außer in heißem und feuchtem Klima) Entfeuchtung (!)

30 Kühlen Geeignete thermische Energiespeichertechnologie: Latentwärmespeicher und flüssige (oder feste) Sorptionsspeicher Passive Cooling Phase Change Slurries Offene Desiccant -Systeme

31 Heizen Raumheizung und Warmwasserbereitstellung Randbedingungen: Mittlere Temperaturen: 25 C 60 C Hohe Speicherkapazität Niedrige Leistungsanforderung (Heizen) / Hohe Leistungsanforderung (Warmwasser) Kurzzeitspeicher/ Saisonale Speicherung

32 Heizen Referenzsystem: Warmwassertank! Geeignete thermische Energiespeichertechnologie: Latentwärmespeicher, Adsorptionsprozesse und chemische Reaktionen Warmwasserspeicher Unterkühltes PCM Chemische Reaktion: Magnesium-Chlorid

33 Prozesswärme Industrielle Anwendungen (z.b. Lebensmittelindustrie) Randbedingungen: Hohe Temperaturen > 150 C Hohe Speicherkapazität Hohe Leistungsanforderungen Hohe Zyklenzahlen

34 Prozesswärme Geeignete thermische Energiespeichertechnologie: Latentwärmespeicher, Adsorptionsprozesse und chemische Reaktionen Hochtemperatur-PCM Offener Adsorptionsspeicher für Trocknungsanwendungen

35 noch mehr Anwendungen!

36 Motivation Motivation Mehr erneuerbare Energien müssen integriert werden! Fluktuierende Energiequellen müssen ausgeglichen werden = Elektrizität = elektrische Energiespeicher!

37 In/Out und One-Way In/Out Energiespeicher z.b. Elektrizität rein / Elektrizität raus oder Wärme rein / Wärme raus One-Way Energiespeicher (demand side management) z.b. Elektrizität rein / Wärme raus Die Speichertechnologien können die selben sein!

38 Anwendungen: Elektrisch Thermisch Windstrom in Kühlschränken speichern 20 Millionen Kühlschränke (<50% der deutschen Haushalte) PCM-Kältespeicher für 12 Stunden Ladezeit 3 Stunden Preis 5 Elektrische Leistung Speicherkapazität 1,15 GW 3,5 GWh

39 Zusammenfassung

40 Zusammenfassung Thermische Energiespeicherung kann durch eine Vielzahl verschiedener Technologien realisiert werden Viele Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten für Thermische Energiespeicher Thermische Energiespeicher müssen auf ihre tatsächliche Anwendung hin ausgewählt werden Thermische Energiespeicher können eine preisgünstige Lösung für die dezentrale Speicherung erneuerbarer Elektrizität sein

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! ZAE Bayern

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