Technologien thermischer Energiespeicher

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1 Bavarian Center for Applied Energy Research - ZAE Bayern - Überblick zu internationalen F&E Aktivitäten und Anwendungsfällen für kompakte thermische Energiespeicher Andreas Hauer Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen. Technologien thermischer Energiespeicher 1

2 Energiedichte / (kwh/m³) 15/09/2016 Thermische Energiespeicher Thermische Energiespeicher-Technologien: Speicherung sensibler Wärme Speicherung latenter Wärme Thermochemische Speicherung Thermische Energiespeicher 600 Speicherkapazität vs. Temeperatur MgSO 4 * 6H 2 O 500 MgCl 2 * 6H 2 O NiCl 2 NH CaCl 2 *NH 3 Silicagel*H 2 O Zeolith*H 2 O Nitrate Salzhydrate Paraffine Wasser Temperatur / C 2

3 Gespeicherte Wärme 15/09/2016 Sensible / Latente Speicher T Q PCM Q Wasser Schmelztemperatur T m Temperatur 5 Thermochemische Speicher AB + Wärme A+B Chemische Reaktionen: CHARGE + heat + STORE Beispiel: DISCHARGE + + heat 3

4 Thermochemische Speicher Zeolith/Wasser + Wärme Zeolith+Wasser Direkte Wärmespeicherung Sensible / Latente Speicher Wärmequelle T Q S Speicher T Erwärmen Schmelzen Verdampfen T T 2 2 S Qsens T cp dt T dt T S 2 21 T T T 1 1 Q lat cp dt H ls T S 21 Tls S T1 Schwer zu Handhaben! ls Autarke Speicher 4

5 Indirekte Wärmespeicherung z.b. Thermochemische Speicher Umwandlung in Arbeit Wärmequelle T Q S Konverter W S i Speicher T a Umkehrbare chemische Reaktionen Q S Reaktor Q B T a AB/A S Nicht-autarke Speicher Thermodynamischer Prozess Laden Ladewärme T L Beispiel: Exergie Maschine AB/A Zeolith + H 2 O z.b. die Fähigkeit Wasserdampf zu adsorbieren Umgebung T UmgL H 2 O Entladen Entladewärme T E Exergie Wärmepumpe AB/A z.b. die Fähigkeit Wasserdampf zu adsorbieren Umgebung T UmgE 5

6 Thermodynamischer Prozess Carnot Wirkungsgrad Laden Entladen L =1-T UmgL /T L E = 1/1-T UmgE /T E Speicherung Spei = L E Thermodynamischer Prozess Laden Ladewärme T L Maschine AB/A Umgebung T UmgL Beispiel: T L = 100 C Zeolith + H 2 O T UmgL = 30 C Entladen Entladewärme T E Beispiel: T E = 100 C Wärmepumpe AB/A Zeolith + H 2 O Umgebung T ad T UmgE = -20 C 6

7 Thermodynamischer Prozess Beispiel: Saisonale Speicherung Solarer Wärme Carnot Wirkungsgrad Carnot Laden L =1-T UmgL /T L Spei 0.6 Realität 50 % Carnot Spei 0.3 Entladen E = 1/1-T UmgE /T E Speicherung Sehr starke Abhängigkeit Spei = L von den E Prozessparametern! Anwendungsfälle für thermische Energiespeicher 7

8 Energiespeicher für die Energiewende Integration Erneuerbarer Energien Integration Erneuerbarer Elektrizität Netzstabilität Frequenzregelung Spannungshaltung Leistungsausgleich/SRL Netzausgleich (Energie) positive/negative Regelenergie Peak Shaving Eigenverbrauch, Inselbetrieb, Demand Side Integration Verschiebbare Last Power to Gas Power to Heat Sicherheit, Back-up Integration Solarer Wärme Solarthermische Kraftwerke Solare Prozesswärme Solarthermie für Heizung/ Warmwasser Steigerung der Energieeffizienz Industrielle Prozesse Abwärmenutzung Rekuperation mechanischer Energie Gebäude Heiz- und Kühlbedarf Tag/Nacht-Ausgleich Sommer/Winter-Ausgleich Elektrizitätserzeugung Fossile Kraftwerke Kraft-Wärme-Kopplung Mobilität Antrieb Heizung / Klimatisierung 1 5 Energiespeicher für die Energiewende Integration Erneuerbarer Energien Integration Erneuerbarer Elektrizität Netzstabilität Frequenzregelung Spannungshaltung Leistungsausgleich/SRL Netzausgleich (Energie) positive/negative Regelenergie Peak Shaving Eigenverbrauch, Inselbetrieb, Demand Side Integration Verschiebbare Last Power to Gas Power to Heat Sicherheit, Back-up Integration Solarer Wärme Solarthermische Kraftwerke Solare Prozesswärme Solarthermie für Heizung/ Warmwasser Steigerung der Energieeffizienz Industrielle Prozesse Abwärmenutzung Rekuperation mechanischer Energie Gebäude Heiz- und Kühlbedarf Tag/Nacht-Ausgleich Sommer/Winter-Ausgleich Elektrizitätserzeugung Fossile Kraftwerke Kraft-Wärme-Kopplung Mobilität Antrieb Heizung / Klimatisierung EES TES EES/TES/CES 1 6 8

9 Thermische Speicher bei der Elektrizitätserzeugung DLR Molten Salt Storage für Concentrated Solar Power Hoch-Temperatur Betonspeicher für die Elektrizitätserzeugung Solar Millennium Saisonale Speicherung solarer Wärme Solar Community & Borehole UTES at Drake Landing, Canada Warmwasserspeicher am Ackermannbogen, München Solarthermalworld 9

10 Abwärmenutzung/ Prozesswärme Abwärmenutzung in einer Eisengießerei durch einen kombinierten Thermalöl- und Gesteinsspeicher Gebäude: Air Conditioning & Kühlen Passive Cooling Phase Change Slurries Offene Desiccant -Systeme 10

11 Gebäude: Heizen & Warmwasser Warmwasserspeicher Unterkühltes PCM Chemische Reaktionen: z.b. Magnesium-Chlorid Thermische Speicher und Kraft- Wärme-Kopplung BHKW mit Warmwasserspeicher DLR & STEAG New Energies GmbH ASUE e.v. / SenerTec Kraft-Wärme- Energiesysteme GmbH Latentwärmespeicher für ein KWK-Kraftwerk 11

12 noch 2 Beispiele für geeignete Anwendungen thermochemischer Speicher Mobiler Sorptionsspeicher 12

13 Warum ein mobiler Sorptionsspeicher? Andere Zeit und anderer Ort! Flexibler Energietransport wo stationäre Systeme zu teuer Hohe Speicherkapazität und thermische Leistung durch Adsorption Sorptionsprozess Laden Abwärme (Dampf) Umgebung 150 C 30 C Zeolith C / % rel. Feuchte Entladen auxiliary Trocknungsgut feed Gasbrenner heating Umgebung AMB IN Trockner dryer OUT ADS Zeolith zeolite Austrittsluft aus Zeolithcontainer 185 C / sehr niedrige Feuchte Eintrittsluft in Zeolithcontainer 58 C / 64% rel. Feuchte 13

14 Mobiler Sorptionsspeicher Demonstrationsanlage Müllverbrennung Hamm/NRW Bis zu 4 MWh, ca. 750 kw thermische Leistung T L = 135 C, T E = 160 C 27 Sorptiver Geschirrspüler 14

15 Sorptiver Geschirrspüler Temperaturverlauf im Spüler Adsorption (Trocknen) Desorption (Aufheizen) Sorptiver Geschirrspüler Spülen Trocknen Luftheizung Gebläse 300 C 45 C Zeolith- Patrone C 60 C Spülraum 200 C 15

16 Elektr. Leistung Elektr. Leistung 15/09/2016 Sorptiver Geschirrspüler Konventioneller Spüler Konventioneller Spüler 2 kw Aufheizen 50 C Aufheizen 60 C Vorspülen Heizstab Spülen Heizstab Trocknen (Verdunstung) Pumpe Spüler mit mit Sorptionstrocknung 2 kw Aufheizen 50 C Zeit Vorspülen Luft- Heizung Ventilator Pumpe Spülen Trocknen (Sorption) Ventilator Zeit Sorptiver Geschirrspüler Energieverbrauch Konventioneller Geschirrspüler Geschirrspüler mit Zeolith Energieeinsparung (ca. 25 %) 1.05 kwh 0.80 kwh 0.25 kwh Randbedingungen Spülvorgänge pro Jahr 250 Lebensdauer 10 Jahre Geschirrspülerproduktion pro Jahr 1.8 Mio. 1kWh = 0,5kg CO2 (EU-Energiemix) Energieeinsparung pro Jahr Energieeinsparung über 10 Jahre Reduktion CO2-Emissionen GWh TWh 562,500 t 16

17 Zusammefassung Zusammenfassung Thermische Speichertechnologien haben durchaus unterschiedliche Eigenschaften und Abhängigkeiten Die Abhängigkeiten für einen optimalen Speicherbetrieb müssen berücksichtigt werden Es gibt eine große Zahl verschiedener Anwendungsbereiche für thermische Energiespeicher Thermische Energiespeicher werden sich technisch und wirtschaftlich da durchsetzen, wo Technologie und Anwendung zueinander passen 17

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen. 18