Fachkonferenz. Meer Wind Mehr Zukunft Innovationen für Offshore Wind aus M-V. Rostock,

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1 Fachkonferenz Meer Wind Mehr Zukunft Innovationen für Offshore Wind aus M-V Rostock,

2 Verbundprojekt 5 Energiespeicher Technologiefeld Flexibel einsetzbare Flüssigluftspeicher für erneuerbare Energien Ziele Integration in die Offshore Windenergie Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads Skalierbarkeit der Speichertechnologie Projektpartner KAEFER Isoliertechnik RST ILK Dresden Betriebsszenarien und Netzanbindung Anlagenplanung und -design Komponenten für Flüssigluftenergiespeicher Kältespeicher Thermodynamische Prozesssimulation Wesentliche Projektinhalte Fraunhofer AGP 2

3 Inhalt Beschreibung des Grundprozesses Zielparameter Darstellung des Basisprozesses Darstellen der Optimierungsparameter Darstellung der Entwicklungs- und Optimierungspotentiale Neue Prozesskombinationen, Verfahrensauswahl Beschreibung des optimierten Gesamtprozesses Abb.: BOC Gases Abb.: Siemens Energy Abb.: Shenzhen Longer Industry Co. 3

4 Soll-Ist-Vergleich Technologieplattform/ Ziele Spez. Verflüssigungs- Kapazität [kg/kwh] Regelbereich [%] 3, Wirkungsgrad [%] Spez. Invest.- Kosten [ /kw] Gestehungskosten [Ct/kWh]] Reagibilität [min] Ist-Wert: Stand der Technik Soll-Wert: Zielgebiet 4

5 Basissystem Verflüssigungsprozess zur Stromspeicherung Hochdruckpumpe und Wärmeübertrager zur Regasifizierung Turbine zur Stromerzeugung Abb.: 5

6 Entwicklungs- und Optimierungspotentiale Verringerung der Verflüssigungsarbeit Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Stromerzeugung Verringerung der Verluste bei der Leistungs- oder Lastregelung Optimierte Prozessbedingungen [Druck, Temperatur, Masseströme, Speicherkapazitäten (Wärme, Kälte, Strom)]

7 Luftzustände und Prozessgrenzen Niedriger Verdichtungsdruck geringer Energiebedarf Untere Grenze in der Nähe des kritischen Punktes Tiefe Temperatur des Hochdruckgases niedrige Verflüssigungsarbeit Untere Grenze im Bereich der Kältespeicheraustrittstemperatur Hohe Turbineneintrittstemperatur guter Turbinenwirkungsgrad Zusätzlicher Wärmebedarf Druckspeicher kurze Anfahrzeiten Zusätzlicher Stromspeicher gute Anlagenregelbarkeit, hohe Flexibilität 7

8 Prozessziel Regelungseinfluss Wirkungsgradeinfluss 8

9 Bauteile des optimiertes Anlagensystem Angepasster Verflüssigungsprozess zur Stromspeicherung Supraleitender Stromspeicher zur Anpassung elektrischen Leistung Wärmespeicher zur Effizienzsteigerung bei der Stromerzeugung und zur Lastregelung Hochdruckpumpe und Wärmeübertrager zur Regasifizierung Kältespeicher zur Kälterückgewinnung Druckspeicher zur Verringerung der Anfahrzeit Turbine zur Stromerzeugung Abgestimmtes Regelungssystem zur Anpassung der Lastparameter 9

10 Potential des Kältespeichers 10

11 Kältespeicherentwicklung 11

12 Entwicklungsansätze für den Kältespeicher Schnittstelle FLES Kryogener Kältespeicher -> Tu = -190 C Speicherdichte [J/m³] Wirkungsgrad Modularisierbarkeit und Flexibilität -> Standard-Container -> variable Beschaltung Design/Bauform Schnittstelle FLES 12

13 Kältespeicherstruktur Prozessrechnung der FLES-Anlage hat ergeben, dass der Einsatz von zwei Kältespeichern sinnvoll ist. Kältespeicher 1: Verwendung von Phase Change Materials (PCM) als Speichermaterial Speichermaterial vollzieht Phasenübergang fest <-> flüssig Wärmeanbindung der schlecht leitenden Speichermaterialien ist der entscheidende Punkt in der Entwicklung Kälte wird bei konstanter Temperatur in den FLES Prozess übertragen Kältespeicher 2: Sensibles Speichermaterial 13

14 Bewertung der Kandidaten Kältespeicherkandidaten Ermittlung des favorisierten Kältespeicherkonzeptes + 1 Back-Up Kandidat anhand einer von den Projektpartnern gemeinsam verabschiedeten Bewertungsmatrix Trade-Off Bewertung basiert sowohl auf Engineering Judgement als auch auf thermischen Berechnungen mit eigens erstellten Trade-Off Tools. Trade-Off Tools Thermische Knotenmodelle zur Berechnung des transienten Be- und Entladevorganges. 14

15 Gasaustrittstemperatur Berechnungsergebnisse Vergleich latent <-> sensibel Start Entladevorgang eines Kältespeichers - Berechnung mit ThermXL Zeit t Ende oberes Temperaturniveau Temperaturniveau Phasenübergang latent sensibel unteres Temperaturniveau 15

16 Gasaustrittstemperatur Berechnungsergebnisse Vergleich Festbett <-> Rohrsystem Entladevorgang eines Kältespeichers - Berechnung mit ThermXL Start Zeit t Ende oberes Temperaturniveau Temperaturniveau Phasenübergang Festbett Rohrsystem unteres Temperaturniveau 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 17

18 Minimale Temperatur Maximale Temperatur Maximaler Druck Angestrebtes Temperaturfeld minimaler Druck 18

19 Bewertungsmatrix Kategorie Kriterium Kandidat a 1.5b 1.5c 1.6a 1.6b 1.6c 1.6d Temperaturniveau 2. Speicherdichte 3. Wirkungsgrad des KS 1. Technik 4. Innovationsgrad des KS 5. Robustheit des KS 1. Investitionskosten des KS 2. Kosten 2. Betriebskosten des KS 3. Risiko 1. Entwicklungsrisiko des KS 2. Verfügbarkeit der Resourcen für den KS 4. Vermarktung 1. Umweltgefahren duch den KS 19

20 Trade-Off Kandidaten Speichermaterial: sensibel, latent Bauform: Unterscheidung hinsichtlich der Strömungsführung des Wärmetransportmediums Druckniveau/Schnittstelle : Hochdruck- oder Niederdruck Wärmetransportmedium: gasförmig, flüssig, PCM Nr. Speichermaterial Bauform Schnittstelle / WTM Kategorie Referenz Kies Festbett Sekundärkreislauf: Luft sensibel 1.3 Ethanol in Poren in Kapseln, Festbett Sekundärkreislauf: Stickstoff latent a Flüssiggas Butan 1.5 b Isobuten im Tank mit internem Niederdruck-Rohrsystem Sekundärkreislauf: Stickstoff latent c Dimethylether a Flüssiggas Butan 1.6 b c Isobuten Dimethylether in Kapseln, Festbett Sekundärkreislauf: Stickstoff latent d Diflourmethan (R32) Reserve Ethanol Festbett Sekundärkreislauf: Stickstoff latent 2.1 Wassereis in Kapseln, Festbett Sekundärkreislauf: Stickstoff sensibel 2.2 Wassereis im Tank mit internem Hochdruck-Rohrsystem (Ohne Sekundärkreislauf) Primärkreislauf: Luft sensibel 2.3 Wassereis im Tank mit internem Niederdruck-Rohrsystem Sekundärkreislauf: Stickstoff sensibel 2.4 Eisenperlen Festbett Sekundärkreislauf: Stickstoff sensibel 2.5 Kies + Ethanol Sensibles SM in Kapselform und PCM in Kapseln, Festbett Sekundärkreislauf: Stickstoff sensibel 20