Thermische Energiespeicher Stand und Entwicklung

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1 BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGEWANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V. Thermische Energiespeicher Stand und Entwicklung Dr. Andreas Hauer ZAE Bayern Walther-Meißner-Str.6, Garching

2 Inhalt Thermische Energiespeicher: Technologien sensibel / latent / thermochemisch Thermische Energiespeicher: Anwendungen Heizen / Kühlen / Prozesswärme Beispiel: Mobiler Wärmespeicher Zusammenfassung 2

3 Thermische Energiespeicher Technologien

4 Eigenschaften eines Energiespeichersystems Speicherkapaziät (kwh/kg, kwh/m³) Phys. / chem. Effekt, Speichermaterial, Randbedingungen Lade-/Entladeleistung (W/kg, W/m³) Stoff- und Wärmeübergang, Speicherkonstruktion Speicherwirkungsgrad Verlustmechanismen (Speicherdauer, Umwandlung) Speicherdauer (Zeit) Von Stunden bis zu einem Jahr Kosten ( /kwh, /W) Investitionen, Zahl der Speicherzyklen Konkurrierende Technik Wärme und Kälte aus fossilen Energieträgern oder Biomasse?

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

6 Energiedichte / (kwh/m³) Thermische Energiespeicher 600 Speicherkapazität vs. Temperatur MgSO 4 * 6H 2 O MgCl 2 * 6H 2 O 300 NiCl 2 NH CaCl 2 *NH 3 Silicagel*H 2 O Zeolith*H 2 O Nitrate 100 Salzhydrate Paraffine 0 Wasser Temperatur / C

7 Sensible Speicher Material: Wasser, Steine, Beton, Keramik, Stärken: Niedrige Kosten, robuste Technologie Schwächen: Niedrige spezifische Speicherkapazität Möglichkeiten: Hohe Entladeleistung (flüssig), hohe Speichertemperatur (fest) Herausforderungen: Thermo-mechanische Stabilität

8 Sensible / Latente Speicher

9 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

10 Thermochemische Speicher AB + Wärme A+B ECN

11 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

12 Thermische Energiespeicher Anwendungen

13 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 (!)

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

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

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

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

18 Beispiel: Mobiler Wärmespeicher

19 Mobile Wärmespeicher Mobiler thermischer Energiespeicher TES TES Nutzer A Ladestation TES BHKW Müllverbrennung Industriebetrieb LKW + Container TES Nutzer B + Nutzer C, D, Klimatisierung Schwimmbäder Trocknung

20 Mobile Wärmespeicher Mobiler Latentwärmespeicher Natriumacetat-Trihydrat, Schmelztemperatur 58 C PCM mass 22 t unit total mass 26 t PCM energy stored / unit 2.4 MWh thereof latent heat 1.6 MWh typical charging power (90/70 C) 250 kw typical discharging power (38/48 C) 125 kw typical discharging power (25/40 C) energy losses 220 kw ca. 10 kwh in 24h Heat carrier fluid Heat exchanger

21 Mobile Wärmespeicher Mobiler Sorptionsspeicher Konzept Mobile Sorptions-Speichereinheit Umgebauter Standard-Frachtcontainer. Zeolithvolumen 15 m³ Zeolithmasse 12 t Dicke der Schüttung 0,7 m Querschnitt der Schüttung 23,2 m² Max. Luftvolumenstrom m³/h Maximal Maximale gespeicherte thermische thermische Leistung Energie von ca. ca. 4,51 MWh

22 T Zeo,out [ C] Storage capacity [kwh/t] Mobiler Sorptionsspeicher Mobiler Sorptionsspeicher Speicherkapazität steigt mit steigender Temperatur der Abwärme T low =15 C T desorption [ C] Entladetemperatur hängt ab von der Temperatur der NT-Wärme T desorption =150 C T low [ C]

23 Mobile Wärmespeicher Untersuchte Abwärmequellen Müllverbrennung Dampf von der Extraktionsturbine 150 C Abnahme reduziert Stromproduktion Optional: Abgasstrom 250 C Non-stop Betrieb

24 Mobile Wärmespeicher Nutzung der gespeicherten Wärme in einem Trocknungsprozess (z.b. Stärketrocknung) auxiliary heating feed AMB IN dryer OUT ADS zeolite Luft aus dem Sorptionsspeicher Luft aus dem Trocknungsprozess 185 C / < 3% rel. Feuchtigkeit 58 C / 64% rel. Feuchtigkeit

25 Mobile Wärmespeicher Gesetzte Parameterwerte Abwärmequelle Müllverbrennung, mit 5250 Betriebsstunden des Mobilen Wärmespeichers pro Jahr Typ Sorption, 250 C Sorption, 150 C PCM, 150 C Abwärmepreis 0 /MWh 4,2 /MWh 4,2 /MWh Speicherkapazität/ Container 3,3 MWh 2,6 MWh 2,4 MWh Ladezeit 3,9 h 4,6 h 9,3 h Entfernung zum Nutzer 10 km 10 km 10 km Löhne/ Gehälter 30 /h 30 /h 30 /h Transportkosten für 100 km Durchschnittsgeschwindigkeit 25 km/h 25 km/h 25 km/h Elektr. Hilfsenergie/ Container 47 kwh 54 kwh 0 kwh

26 Mobile Wärmespeicher Energieeffizienz Ladestation Energiefluss-Diagramm COP > 9 bezüglich Hilfsenergie! Hilfsenergie, Transport Zeo Nutzenergie 100% Nutzer Brennstoff 105%

27 [t/a] Mobile Wärmespeicher Umweltrelevanz : CO 2 -Emissionen Zeolith ohne mobilen Speicher Gasbrenner Hilfsenergie Transport

28 Mobile Wärmespeicher Kostenverteilung bei Betrieb eines Mobilen Sorptionspeichers annuisierte Kosten Verwaltung und Versicherung 6% betriebsgebundene Kosten (Personal) 27% Investitionen 42% verbrauchsgebundene Kosten (Treibstoff, Strom) 25%

29 Energiekosten in /MWh Mobile Wärmespeicher Mobiler Sorptionsspeicher Energiepreis - Auslastung Auslastung in % Kosten bei 250 C [ /MWh] Kosten bei 150 C [ /MWh]

30 Energiekosten in /MWh Mobile Wärmespeicher Mobiler Sorptionsspeicher Energiekosten - Transportstrecke Transportstrecke in km Kosten bei 250 C [ /MWh] Kosten bei 150 C [ /MWh]

31 Beispiel: Mobile Wärmespeicher Eigenschaften eines thermischen Speichersystems Speicherkapaziät (kwh/kg, kwh/m³) Ca. 3 MWh pro Container Lade-/Entladeleistung (W/kg, W/m³) Ca. 1 MW pro Container Speicherwirkungsgrad Hoch! Speicherdauer (time) 1-2 Std, Zyklendauer 10 Std Kosten ( /kwh, /W) < 50 /MWh Wirtschaftlichkeit möglich! Niedertemperaturquelle beim Entladen und hohe Zyklenzahl notwendig!

32 Zusammenfassung

33 Zusammenfassung Thermische Energiespeicher können eine wichtige Rolle bei der Integration erneuerbarer Energie spielen Thermische Energiespeicher können zur Effizienzsteigerung beitragen Energiespeichersysteme müssen auf ihre tatsächliche Anwendung hin optimiert sein Wärmespeicher müssen im Gesamtsystem betrachtet werden, um ihre technische und ökonomische Leistungsfähigkeit beurteilen zu können

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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