Effizienzsteigerung durch Latentwärme- und Kältespeicher

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1 Effizienzsteigerung durch Latentwärme- und Kältespeicher 12. Oktober 2012 Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft

2 1232 mio. Tonnen CO 2 -Äquivalente Klimaschutzziele der Bundesregierung Energieträger Stromerzeugung % erneuerbare Energien 100% 80% 60% 40% 60 % fossile Brennstoffe und Abwärme Ziel % Kernenergie (Bis Ende %) 20% 0% Dafür soll Primärenergieverbrauch von 2008 bis 2050 um 50 % sinken. 5 % % fossile Brennstoffe und Abwärme 80 % erneuerbare Energien Energiespeicher erforderlich Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 2 / 28

3 Mark M. MacCracken, CALMAC Energy Storage: A Critical Path to Sustainability Energiespeicher erforderlich Es muss stets genauso viel Strom produziert werden, wie nachgefragt wird, damit es nicht zu Stromausfällen oder Netzüberlastungen kommt. Energiespeicher, z. B. Pumpspeicherkraftwerke, können überproduzierten Strom aus Wind und Sonne speichern und bei Bedarf in das Netz einspeisen. Viele Speichertechnologien sind heute theoretisch bereits einsetzbar, aber noch nicht alltagstauglich. Die Bundesregierung wird daher die Forschung und Entwicklung von Speichertechnologien finanziell fördern. /REGIERUNGonline, BMU + BMWi 2010/ Kalifornische Windkraft im Sommer 2006 Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 4 / 28

4 Energiespeicher Thermisch Wärmespeicher Kältespeicher Chemisch Anorganisch, z. B. galvanische Zelle (Akkumulator, Batterie) Organisch, z. B. Kohlenhydrate oder Fette Mechanisch Kinetische Energie: Schwungradspeicher Potentielle Energie: Pumpspeicherkraftwerk, Druckluftspeicherkraftwerk Elektrisch Kondensator Supraleitender magnetischer Energiespeicher Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 5 / 28

5 Energiespeicher /Dagmar Oertel: Energiespeicher Stand und Perspektiven. TAB Arbeitsbericht Nr. 123, Febr. 2008/ Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 6 / 28

6 Energiespeicher Thermische Speicher /Dagmar Oertel: Energiespeicher Stand und Perspektiven. TAB Arbeitsbericht Nr. 123, Febr. 2008/ Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 7 / 28

7 Kosten für Energiespeicher Thermische Speicher UPS Uninterruptible Power Supply /Mark MacCracken: Energy Storage Providing for a low Carbon Future. ASHRAE Journal Sept. 2010/ Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 8 / 28

8 Wirkungsgrad von Energiespeichern Thermische Speicher / Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 9 / 28

9 Ausgewählte Energiespeicher Jochen Schneider Maximale realisierte Größe in DE 1060 MW, 8480 MWh (Goldisthal) Schnelle Verfügbarkeit Unbegrenzte Anzahl Ladezyklen Bis zu 8 h Laufzeit Wirkungsgrad % zum Vergleich: Druckluftspeicher % Jelson25 Maximale realisierte Größe 30 MW, normal nur bis zu 100 kw Extrem schnelle Verfügbarkeit Begrenzte Anz. Ladezyklen, max Für wenige Minuten Laufzeit ausgelegt Wirkungsgrad % z. B in West-Berlin: 14,4 MWh mit 17 MW Lastspitze bestehend aus 7080 Bleiakkumulatoren Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 10 / 28

10 Ausgewählte Energiespeicher Ulrich Speicherung sensibler o. latenter Wärme Wasser c = 4,2 kj/(kg K) 1,1 kwh/(m³ K) Paraffin c 2 kj/(kg K) Δh v = kj/kg Speicherdichte: Paraffin 55 kwh/m³ Wasser 40 kwh/m³ bei Δt = 35 K Wirkungsgrad von 60 (Fernwärme) bis 95 % (lokal im Gebäude) z. B. Fernwärmespeicher des Kraftwerkes Theiß/Fernwärmenetz Krems V = m³, Speichervermögen 2 GWh je Ladevorgang 40 kwh/m 3 KELCROFT E&M Ltd. Speicherung sensibler oder latenter Wärme Wasser c = 4,2 kj/(kg K) Eis c = 2,3 kj/(kg K) Δh v = 334 kj/kg Speicherdichte: Latent bis zu 84 kwh/m 3 (100 % Eis) Sensibel nur 7 kwh/m³ bei Δt = 6 K Wirkungsgrad von 60 (Fernkälte) bis 95 % (lokal im Gebäude) z. B. Herbis Osaka V = 1600 m³, Speichervermögen 80,75 MWh je Ladevorgang (50 % Eis) 50 kwh/m 3 Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 11 / 28

11 Thermische Energiespeicher Latent Kältespeicher: Nutzen den Phasenwechsel Speicher mit hoher Speicherdichte bei kleinen Temperaturunterschieden Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 12 / 28

12 / /Mark MacCracken: Energy Storage Providing for a low Carbon Future. ASHRAE Journal Sept. 2010/ /Dagmar Oertel: Energiespeicher Stand und Perspektiven. TAB Arbeitsbericht Nr. 123, Febr. 2008/ Zusammenfassung Thermische Energiespeicher Erzielen lange Speicherdauern Stunden bis Tage Lassen lange Entnahmezeiten zu Stunden bis Tage Lassen sich in vielen Größen realisieren wenige kw bis mehrere 100 MW Sind relativ preiswert sowohl bezogen auf Leistung /kw als auch bez. auf gespeicherte Energie /kwh Erlauben große Anzahl Lade-/Entladezyklen mehrere bis Erzielen hohe Wirkungsgrade 60 bis 95 % Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 13 / 25

13 Wirkungsgrad einer Kälteanlage steigt bei sinkender Verflüssigungstemperatur (ca. 2 3 % je Kelvin) Karlsruhe, 6. April Oktober 2012 Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 14/29

14 Wirkungsgrad einer Kälteanlage steigt bei sinkender Verflüssigungstemperatur (ca. 2 3 % je Kelvin) Karlsruhe, 6. April 2011 Außerdem haben viele Kälteanlagen eine höhere Kälteleistungszahl bei Nennlast, d. h. höherer spezifischer Energieverbrauch bei Teillast Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 15/29

15 ( C) Kühllast mit Eisspeicher C Q 0 = 6,6 kw Ersparnis : 7 kwh pro Tag /Ice Bear Energy Storage System. Electric Utility Modeling Guide (2011)/ Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 16 / 28

16 Energiespeicherstrategien = 4.2 kw = 1.72 kw = 33.2 kwh = 13.1 kwh /Brian Silvetti: Application Fundamentals of Ice-Based Thermal Storage. ASHRAE Journal Feb. 2002/ Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 17 / 28

17 Teillastverhalten von Antrieben Beispiel Lastwagenklimatisierung Standklimatisierung für Ruhephasen des Fahrers oft unerlässlich Energetisch ineffiziente Klimatisierung im Leerlauf verbraucht ca. 4 l/h bis zu 9000 Liter Kraftstoff (3.500 Kosten) pro Jahr und Fahrzeug in USA Entwicklung eines Kältespeichers zur Standklimatisierung von Webasto Beladung des Kältespeichers mit hoher Effizienz im normalen Fahrbetrieb Der Speicher wird seit Mitte 2005 produziert 1. Folienbehälter mit Graphit und Wasser 2. Kältemittelrohrleitungen 3. Kälteträgerrohrleitungen 4. Graphit Matrix mit Wasser bzw. Eis 5. Isolierschaum WEBASTO Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 18 / 28

18 Netz - Effektivität = 3,5 kwh Kälte COP = 3,9 = 3,5 kwh Kälte COP = 3,5 = 3,5 kwh Kälte /Mark MacCracken: Energy Storage Providing for a low Carbon Future. ASHRAE Journal Sept. 2010/ Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 19 / 28

19 Eisspeicher statisch dynamisch Rohre - Gefrieren von innen und Schmelzen von innen bzw. außen Eisbälle - Gefrieren und Schmelzen außen Scherbeneis Paul Mueller Comp. Eisbrei ASHRAE Handbook HVAC System 2008 SUNWELL Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 20 / 28

20 Eisbrei Eisbrei ist eine Mischung aus kleinen Eispartikeln (0,01-0,5 mm), Wasser und einem Gefrierpunkt senkenden Stoff wie z.b. Ethanol, Salz oder Glykol Eisbrei ist ein umweltfreundlicher Kälteträger mit hoher Energiedichte (ca. 8-mal höher als flüssiges Wasser bei gleicher Temperaturänderung) Eisbrei zeigt bis zu doppelt so hohen Wärmeübergang und um Faktor 8 reduzierte Pumpenleistung gegenüber flüssigem einphasigem Kälteträger Möglichkeit der Direktkontaktkühlung I I I I I I I I I I I 0 1 mm Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 21 / 28

21 Typische Eisbreianlage Kälteanlage Eisbreigenerator Wärmeübertrager Ventile, Pumpen, Rohrleitungen Speicherbehälter Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 22 / 28

22 Temperatur in C Stufen Beispiel Supermarkt mit Eisbrei Lade-/Entladevorgang über 7 Tage -2,00-2,50-3,00 Verbund_Ein Verbund_Aus Mittelwert_Eisbrei-Speicher Stufen_Verbund 4 3-3,50-4,00 2-4,50-5,00 1-5,50-6, Woche Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 23 / 28

23 Projekt Hauptmensa Studentenwerk KA Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 24 / 28

24 Andere Latentwärmespeicheranwendungen z. B. Gefrierlagerung von Lebensmitteln Abkühlung unter -18 C bei Energieüberschuss Lastwagen Bremsenergie Gefriertruhen im Lebensmitteleinzelhandel Zentrallager Lebensmittel nur sensible Wärme (ca. 2 kj/kg K -1 ) Latentwärme in Form von eutektischer NaCl/Wasser-Mischung (233 kj/kg K -1 bei -21,3 C) Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 25 / 28

25 Eisspeicher und Wärmepumpe 1. Solar Kollektor 2. Warmwasserspeicher 3. Eisspeicher 4. Wärmepumpe 5. Steuerung ISOCAL und BAUMARKT.DE Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 26 / 28

26 Temperatur [ C] Temperatur [ C] Latentwärmespeicher Material: Polyethylen (PE) formstabil schmelzend PCM-Anteil: 100 % Polyethylen-Stangen Dichte: 0,93 g/cm 3 DSC-Ergebnis: Schmelzpunkt-Onset: 125 C DSC-Ergebnis: Schmelzpunkt-Peak: 132 C DSC-Ergebnis: Schmelzenthalpie: 149 J/g Schmelzpunkt makroskopische Probe: 130 C Erstarrungspunkt makroskopische Probe: 120,5 C Maximale Dauergebrauchtstemperatur: 140 C Wärmeleitfähigkeit: 0,4 W/mK Beladung Entladung 125 C 121 C Ofen Temperatur PE- Stangen Zeit in Minuten [min] Zeit in Minuten [min] Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 27 / 28

27 Zusammenfassung In Zukunft vermehrt Energiespeicherung von Überlaufstrom aus regenerativen Energien erforderlich Latente Wärmespeicherung erzielt hohe Wirkungsgrade bei moderaten Kosten und langer Lebensdauer Latente Kältespeicherung kann außerdem Energie sparen durch Betrieb mit abgesenkter Verflüssigungstemperatur in der Nacht Vermeidung von Start/Stopp-Verlusten (bis zu 8 % Energieeinsparung) Vermeidung von Teillastbetrieb Nutzung von Strom zu Niedriglastzeiten Höhere Hochspannungsnetz-Wirkungsgrade Gleichmäßige Auslastung von Kernkraftwerken Vermeidung von Spitzenlastkraftwerken mit schlechtem Wirkungsgrad Latente Wärme-/Kältespeicher in Zukunft sehr interessant Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 28 / 28

28 Ergänzungen, Fragen? Kontakt: Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld Hochschule Karlsruhe Technik und Wirtschaft Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik Moltkestr Karlsruhe Tel.: Fax: Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 29 / 28

29 Teillastverhalten von Kälteanlagen BITZER Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld 30 / 28