Hochtemperatur-Stromspeicher. Sergej Herzog Seite 1

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1 Hochtemperatur-Stromspeicher 1

2 ALLGEMEINES SPEICHERKONZEPT Thermischer Speicher mit Formsteinen oder Schüttung: Magnesiumoxid-Steine Feuerfeste Materialien Keramische Massen 600 C C C Elektrischer Strom Wandlung sensible Wärme Rückverstromung Elektrischer Strom Elektrothermische Verfahren Widerstandserwärmung: Innerhalb oder außerhalb des thermischen Speichers Wärmekraftmaschinen Dampfturbine Gasturbine 2

3 ALLGEMEINES SPEICHERKONZEPT Siemens Testanlage Thermischer Speicher mit Formsteinen oder Schüttung: Magnesiumoxid-Steine Feuerfeste Materialien Keramische Massen 600 C C C Siemens Testanlage Unser Konzept Elektrischer Strom Wandlung sensible Wärme Rückverstromung Elektrischer Strom Elektrothermische Verfahren Widerstandserwärmung: Innerhalb oder außerhalb des thermischen Speichers Wärmekraftmaschinen Dampfturbine Gasturbine Petz, I.: Heiße Steine speichern grüne Energie. Das Magazin. Siemens AG; aufgerufen am [ ] Inverse Gasturbine 3

4 BELADUNG Installation von elektrischen Heizelementen im thermischen Speicher Strom Wärme mittels elektrischer Heizelemente [Standardbauteile der Elektrowärme-Branche z.b. Heizwendel auf Keramikrohr] Vorteile: hocheffizient, sehr günstig Speichermaterial T Wärmestrahlung 4

5 SPEICHERMATERIALIEN Aufgestapelte Formsteine mit definierten Kanälen, z.b. Speichersteine der Winderhitzer (Hochofenprozess) (Refractory fireclay checker Brick) Vorteile von Formsteinen: geringerer Druckverlust bei Entladung einfacher Aufbau des Speichers einfache Installation der Heizelemente Werkstoff: hohe Druckfestigkeit (Stapelung) temperaturbeständig ( C) möglichst hohe Wärmespeicherkapazität 5

6 SPEICHERMATERIALIEN Aufgestapelte Formsteine mit definierten Kanälen, z.b. Speichersteine der Winderhitzer (Hochofenprozess) Kanäle zur Entladung Vorteile von Formsteinen: geringerer Druckverlust bei Entladung einfacher Aufbau des Speichers einfache Installation der Heizelemente Werkstoff: hohe Druckfestigkeit (Stapelung) temperaturbeständig ( C) möglichst hohe Wärmespeicherkapazität 6

7 Beispielhafte Darstellung des thermischen Speichers aufgestapelte Formsteine Elektrische Heizelemente Feuerfeste Isolierung Unterzug 7

8 Inverse Gasturbine Brennstoff Hochdruck-Gasturbine: Verdichtung ( 15 bar Industrie-GT; 3,5-8 bar µ-gt) Wärmezufuhr (Verbrennung) Entspannung auf Umgebungsdruck Verdichter Umgebungsluft Turbine Gen Abgas Inverse Gasturbine: (invers: umgekehrt) Umgebungsluft atmosphärische Verbrennung/Wärmezufuhr Entspannung auf Unterdruck ( 0,3 bar) Wärmeabfuhr Verdichtung auf Umgebungsdruck Brennstoff Turbine Gen Motor Verdichter Abgas Gaskühler 8

9 ENTLADUNG Thermischer Speicher mit Formsteinen und Heizelementen 900 C 1bar 120 C 1,013bar Wärmeauskopplung 75 C 1,013bar Schornstein Turbine Gen Verdichter Motor 550 C 1bar 15 C 1bar Umgebungsluft 150 C 0,4bar 680 C 0,4bar Rekuperator 30 C 0,4bar Gaskühler 78 C 0,4bar Wirkungsgrade Demonstrations- und Großanlage η el = 21,7 % 46% η ges = 59,6 % 78% Wärmeauskopplung 9

10 η ges =78% 70-80% 80-85% Elektrischer Wirkungsgrad [%] Investitionskosten/Speicherkapazität [ /kwh] 70-75% Energiedichte [Wh/l] 48% Hochtemperatur- Stromspeicher (Großanlage) ,3-1,5 Li-Ionen-Akku Pumpspeicherkraftwerk Blei-Säure- Batterien 10

11 VORTEILE Niedrige Investitionskosten Nicht abhängig von geologische Gegebenheiten kurze Ansprechzeit Flexible Dimensionierung Standardbauteile Keine Gefahrenstoffe und begrenzte Rohstoffe 11

12 Zusammenfassung des Konzeptes Beladung: elektrische Heizelemente Stand der Technik; hocheffektiv; extrem flexibel; günstig Speicherung: aufgestapelte Formsteine mit Kanälen T > 1200 C; hohe Energiedichte; Isolierung ist Stand der Technik; keine Druckbeaufschlagung einfacher Aufbau; Entladung: Inverser Gasturbinenprozess wenig Erfahrung; Wärmeauskopplung möglich; bei geringen Leistungen: Turbolader-Technologie mit zunehmender Leistung: großtechnischen Turbomaschinen 12

13 Raum für Fragen und Ideen Schornstein Wärmeauskopplung Turbine Gen Verdichter Motor Thermischer Speicher Rekuperator Prof. Dr.-Ing. Stefan Lechner Prof. Dipl.-Ing. Reinhold Altensen Gaskühler Institut für Thermodynamik, Energieverfahrenstechnik und Systemanalyse (THESA) Technischen Hochschule Mittelhessen (THM) Wärmeauskopplung 13

14 Back-up Folien Schornstein Wärmeauskopplung Turbine Gen Verdichter Motor Thermischer Speicher Rekuperator Gaskühler Wärmeauskopplung 14

15 Anstehende Untersuchungen Modellierung der thermischen Be- und Entladung der Formsteine Optimierung der Steingeometrie, des Stapelaufbaus, der Positionierung der Heizelemente Be- und Entladungsdauern Untersuchung der Werkstoffe Wärmeleitung im Stapel Aufbau einer Temperaturschichtung Aufbau einer Demonstrationsanlage 15

16 Einsatzfälle Aufnahme von plötzlichen Einspeisepeaks aus EE-Anlagen Schutz der Stromleitungen vor Überlast Weniger Abregelung von EE-Anlagen durch Einspeisemanagement Bereitstellung von negativer und positiver Regelleistung 16

17 Elektrischen Heizelemente Drahtqualität: CrFeAl Heizleiterdraht als Wendel auf einem 60mm Keramikrohr Berghütten GmbH 17