Wärmespeichersysteme. 11. Solartagung Dipl.-Ing. Christian Synwoldt. Potenziale erkennen! Prozesse optimieren! Mehrwert schaffen!

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1 Wärmespeichersysteme 11. Solartagung Dipl.-Ing. Christian Synwoldt Hochschule Trier / Umwelt-Campus Birkenfeld Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Internet: Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS)

2 Wärmespeicher Einsatz Wärmeverluste Speichertypen sensibel latent thermochemisch Anwendung Kosten Speicher zur Systemintegration 2

3 Wärmespeicher Einsatz Entkopplung von Wärmeerzeugung und Nutzung zeitlich stromgeführtes BHKW solare Wärme (täglich, saisonal) Kurzzeitpuffer Spitzenlastdeckung Optimierung des Brennereinsatzes Langzeitspeicher Ausgleich saisonaler Fluktuationen von Nachfrage und Versorgung Systemintegration räumlich Prozess- / Restwärme auch ohne Nahwärmenetz für entfernte Nutzer 3

4 Rechtlicher Rahmen EEG (1) Pflicht zur Flexibilisierung von Biogas-BHKW Anlagenleistung > 100 kw: Förderanspruch nur auf Strommenge entsprechend einer Bemessungsleistung 50 % der installierten Leistung Leistungsüberbauung bedeutet auch Gasspeicher Wärmespeicher 4

5 Lastgänge von Strom und Wärme kw BHKWs für Krankenhaus 2x 110 kw Strom 2x 150 kw Wärme BHKW 2 BHKW 1 Quelle: Springerlink, M. Reents, Energiemanagement 5

6 Wärmespeicher Wärmeverluste Wärmeleitung Gegenmaßnahme jedes Material Vakuum Wärmestrahlung Gegenmaßnahme jede Oberfläche optimierte Verhältnis von Volumen zur Oberfläche (Kugel), innen verspiegelte Oberfläche Konvektion Gegenmaßnahme Gase und Flüssigkeiten keine Turbulenzen, keine Bewegung, geschlossene Hülle, Dichtigkeit 6

7 Wärmespeicher Kategorien sensibel Temperaturveränderung chemisch Sorption Lösevorgänge Oxidation/Reduktion exo-/endotherme Reaktion Anlagerung von Stoffen Verbrennung latent Phasenwechsel konstante Temperatur fest flüssig, flüssig gasförmig 7

8 Wärmespeicher Quelle: IER 8

9 Wärmespeicher sensibel latent thermochemisch Leistung < 10 MW < 10 MW < 1 MW Kapazität < 100 MWh < 10 MWh < 10 MWh Speicherdauer* Stunde-Jahr Stunde-Woche Stunde-Woche Energiedichte < 60 kwh/m³ < 120 kwh/m³ < 250 kwh/m³ Kosten Invest. 0,1-13 $/kwh $/kwh $/kwh Nutzen 0,01 /kwh 1,3-6 /kwh 1-5 /kwh * eher kommerziellen, als technischen Randbedingungen geschuldet! Quelle: IRENA,

10 Wärmespeicher Wärmespeicherart Heißwasserspeicher Dampfspeicher Fluid- bzw. Feststoffspeicher Beschreibung etablierte Variante, kostengünstig, umweltfreundlich schnelle Verfügbarkeit des Dampfes sehr hohe Temperaturen Kies-Wasser-Wärmespeicher günstige Speicherkonstruktion Erdsonden-Wärmespeicher lange Zugriffszeiten Aquifer-Wärmespeicher saisonale Einspeicherung Quelle: ITW 10

11 Beispiel Dampfspeicherlokomotive Quelle: wikimedia, Hentschel GmbH, CC-ASA 11

12 Beispiel Cowper für Hochofen Nahwärmenetz ( m³) Saisonalspeicher solarer Deckungsgrad 50 % Quelle: wikimedia, Raimond Spekking, cc-by-sa-3.0; bine.info Pufferspeicher 12

13 Saisonaler Wärmebedarf und solares Angebot Grafik: IfaS 13

14 Wärmespeicher latent Phasenwechsel geschmolzenes Paraffin kwh/t geschmolzenes Metall geschmolzenes Salz kwh/t Eis Wasser 90 kwh/t Wasser Dampf 630 kwh/t Temperaturniveau (0) C 14

15 Beispiel Latentwärmespeicher Phasenwechsel Material NaNO 3 Masse 14 t Temperatur 306 C Kapazität 700 kwh th Quelle: DLR 15

16 Beispiel Zeolith-Wärmespeicher Volumen (2x) 750 kg Bindemittel-loses Zeolith Speicherdichte 180 kwh/m³ Ladung 180 C Entladung >75 C Kosten für Zeolithe Wärmespeicher Waschmittel 4 /kg << 1 /kg Quelle: AAE INTEC 16

17 Beispiel Mobiler Wärmespeicher Phasenwechsel Material C 2 H 3 NaO 2 Natriumacetat E262a Volumen 17 m³ Masse 29 t, exkl. Trailer Kapazität 2,5 MWh th 100 C 30 C 86 kwh/t Verlustrate 0,5 %/d Quelle: latherm.de 17

18 Wärmespeicher thermochemisch Sorption Silicagel Zeolithe kwh/t Metallhydride andere Salzlösung Lösungen von Metallhydriden und Metallkarbonaten kwh/t Verdünnen von Basen und Säuren Oxidation von Kohle kwh/t Oxidation von Heizöl kwh/t Quelle: wikimedia, cc by-sa

19 Beispiel Mobiler Sorptionsspeicher Adsorption Material Masse Zeolith komplett Zeolith 14 t 24 t Kapazität 2-3 MWh th Wärmeleistung 240 kw Temperaturniveau Laden 130 C ( trocknen ) Entladen 150 C ( befeuchten ) Quelle: MVA Hamm 19

20 Systemintegration Dorf, Region, Stadt Erdgas Wärme vertikale Last BHKW Biogas Elektrizität Grünschnitt organischer Abfall Klärschlamm IfaS, 2014 Grafik: IfaS

21 Systemintegration Dorf, Region, Stadt Erdgas Wärme Residuallast BHKW Biogas Elektrizität Grünschnitt organischer Abfall Klärschlamm IfaS, 2014 Grafik: IfaS

22 Energiebunker in Hamburg Quelle: wikimedia public domain 22

23 Wärmespeicher als Integrationspunkt BHKW Wärmepumpe Zusatzheizung Erdgas andere Brennstoffe und Wärmequellen Heizpatrone bedarfsgerechte Stromerzeugung Regelleistung Solarthermie Brauchwarmwasser Heizwärme Prozesswärme 23

24 Systemintegration Dorf, Region, Stadt Erdgas Wärme Residuallast BHKW Biogas Elektrizität Grünschnitt organischer Abfall Klärschlamm IfaS, 2014 Grafik: IfaS

25 Systemintegration Dorf, Region, Stadt Erdgas CH 4 CO 2 Wärme Residuallast BHKW H 2 Biogas Elektrizität Wassernetz Abwassernetz Grünschnitt organischer Abfall Klärschlamm IfaS, 2014 Grafik: IfaS

26 Vielen Dank! Entwicklung eine Frage des lokalen/regionalen Engagements Institut für angewandtes Stoffstrommanagement (IfaS) Hochschule Trier / Umwelt-Campus Birkenfeld Dipl.-Ing. (TU) Christian Synwoldt Postfach 1380, D Birkenfeld Tel.: +49 (0)6782 / Fax: +49 (0)6782 / Internet: 26