Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz in Industrieanwendungen Doerte Laing

Transkript

1 Folie 1 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz in Industrieanwendungen Doerte Laing

2 Folie 2 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Hintergrund - Wärmespeicher sind ein wesentlicher Baustein für die Steigerung der Effizienz energieverfahrenstechnischer Prozesse => Schlüsselelement zur Brennstoffeinsparung und zum Klimaschutz - Wenige Wärmespeicher im Bereich > 100 ºC kommerziell verfügbar => noch zu teuer für breite Anwendung - Entwicklung fortschrittlicher Konzepte, Komponenten, Verfahren und Systemtechniken zur Wärmespeicherung im Hochtemperaturbereich erforderlich - Deutlicher Beitrag für die Erreichung der energiepolitischen Ziele der Bundesregierung

3 Folie 3 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Optimiertes Energiemanagement durch Einsatz Thermischer Energiespeicher Breites Anforderungsprofil: Wärmestrom zum Verbraucher - Leistungsbereich von kw bis MW - Kurzzeitspeicher / Min. bis Std. Langzeitspeicher / Tage bis Monate Wärmespeicher - Kapazität von wenigen kwh bis GWh - Temperaturbereich von C - Diverse Wärmeträgermedien wie: Wärmequellen Abwärme Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc. G EIN Speichertyp kann nicht alle Anforderungen abdecken! Wärmeverbraucher

4 Lanzenmanipulator Folie 4 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Anwendungsbeispiel Elektrostahlwerk (BSW/BSE) Speicherunterstütze Verstromung von Abwärme Quelle: BSE BADISCHE STAHL-ENGINEERING GMBH Elektrodenhalterung Abgasrohr Elektroden Quelle: BSE BADISCHE STAHL-ENGINEERING GMBH Flüssigsalzspeicher zur Glättung diskontinuierlicher Abwärmeströme Lichtbogen Schmelze

5 Folie 5 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Anwendungsbeispiel Heizkraftwerk Besicherung Prozessdampfschiene Grubengas-Heizkraftwerk Wellesweiler (STEAG) - 1. EEG-geförderte Anlage im Saarland, Betrieb seit KWK-Anlage: - Strom MWh/a - Wärme: MWh/a - Strom und Wärme für Industrieund Gewerbebetriebe Quelle: STEAG New Energies GmbH Latentwärmespeicher zur Besicherung der Dampfproduktion

6 Folie 6 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Anwendungsbeispiel chemische Industrie Wärmetransformation durch Abdampfnutzung - 1 bar (100 ºC) Abdampf ist energetisch kaum zu verwerten Nutzung von thermochemischen Reaktionen zur Wärmetransformation Beladung bei 120 ºC Entladung bei 160 ºC

7 Folie 7 > Vortrag > Autor Dokumentname > Datum Ziele - Übergeordnete Ziele - Entwicklung fortschrittlicher Wärmespeicher für industrielle Prozesswärme (100 kw-mw) und Kraftwerkstechnik (1-100 MW) - Beitrag zur breiten Markteinführung von Wärmespeichertechnologien - Kernziel heißt Kostensenkung - DLR Fokus der Entwicklungen - Materialien mit verbesserten thermophysikalischen Eigenschaften - Effiziente Lösungen für Wärmetransport und Wärmeein- und Auskopplung - Kostengünstige Auslegungskonzepte - Optimierte Speicherintegration - Umsetzung von Lösungen mit deutlichem Potential zur Kostensenkung

8 Folie 8 > > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Speicherkonzepte Sensible Wärme fest flüssig fest/flüssig Latente Wärme Salze fest-fest Salze fest-flüssig Reaktionswärme Sorption Gas-Feststoff-Reaktion

9 Volumetric heat capacity [MJ/(m³K)] Folie 9 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Speicherkonzepte Vergleich der Speicherdichten - Feststoffe und Flüssigkeiten bei Umgebungsdruck Solids and liquids at atmospheric pressure Water Graphite Silicon Concrete Sodium Nitrate upper ρ cp limit Copper Aluminium Sodium chloride quartz glass Sodium/Potassium nitrate Temperature [ C]

10 Volumetric heat capacity [MJ/(m³K)] Folie 10 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Speicherkonzepte Vergleich der Speicherdichten Typische Speicherdichten - Sensible Speicher kwh/m³ (abhängig von Temperaturdifferenz) Feststoffe Solids und Flüssigkeiten and liquids at atmospheric bei Umgebungsdruck pressure Water Graphite Silicon Concrete Sodium Nitrate upper ρ cp limit Copper Aluminium Sodium chloride quartz glass Sodium/Potassium nitrate Temperature [ C]

11 Enthalpy [J/g] Folie 11 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Speicherkonzepte Vergleich der Speicherdichten - Phasenwechselmaterialien LiNO LiNO 3 -NaNO NaNO KNO 3 -LiNO 3 NaNO KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 KNO 3 -NaNO 3 KNO Temperature [ C]

12 Enthalpy [J/g] Volumetric heat capacity [MJ/(m³K)] Folie 12 > > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Speicherkonzepte Vergleich der Speicherdichten Typische Speicherdichten - Sensible Speicher kwh/m³ (abhängig von Temperaturdifferenz) - Latentwärmespeicher kwh/m³ (bei minimaler Temperaturdifferenz) Feststoffe Solids und Flüssigkeiten and liquids at atmospheric bei Umgebungsdruck pressure 5 upper ρ cp limit Water Copper 1 Graphite Silicon Aluminium Sodium chloride 0.5 Concrete Sodium Nitrate quartz glass Sodium/Potassium nitrate Temperature [ C] 350 LiNO LiNO3-NaNO KNO3-LiNO3 NaNO 2 NaNO KNO3-NaNO2-NaNO3 KNO 3-NaNO 3 KNO Temperature [ C]

13 Folie 13 > > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Speicherkonzepte Vergleich der Speicherdichten - Thermochemische Speicher Reaktion T G [1 bar] C ΔH [1 bar] kj/mol Kapazität * kwh/m 3 Mg(OH) 2 /MgO Ca(OH) 2 /CaO MgCO 3 /MgO (238) CaCO 3 /CaO (348) BaCO 3 /BaO (417) * Dichte von CO 2 bei 50 bar (57,3 bar, flüssig), Packungsdichte des Feststoffs = 0.5 *Feststoffdichte

14 Enthalpy [J/g] Volumetric heat capacity [MJ/(m³K)] Folie 14 > > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Speicherkonzepte Vergleich der Speicherdichten Typische Speicherdichten - Sensible Speicher kwh/m³ (abhängig von Temperaturdifferenz) - Latentwärmespeicher kwh/m³ (bei minimaler Temperaturdifferenz) - Thermochemische Speicher kwh/m³ (abhängig von treibendem Gefälle (Druck/Temperatur)) Feststoffe Solids und Flüssigkeiten and liquids at atmospheric bei Umgebungsdruck pressure 5 upper ρ cp limit Water Copper 1 Graphite Silicon Aluminium Sodium chloride 0.5 Concrete Sodium Nitrate quartz glass Sodium/Potassium nitrate Temperature [ C] KNO3-LiNO3 150 KNO3-NaNO2-NaNO3 100 LiNO3 LiNO3-NaNO3 NaNO 2 NaNO 3 KNO 3-NaNO 3 KNO Temperature [ C]

15 Folie 15 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Speicherkonzepte Vergleich der Speicherdichten Typische Speicherdichten - Sensible Speicher kwh/m³ (abhängig von Temperaturdifferenz) - Latentwärmespeicher kwh/m³ (bei minimaler Temperaturdifferenz) - Thermochemische Speicher kwh/m³ (abhängig von treibendem Gefälle (Druck/Temperatur)) Energiedichte [kwh/m 3 ] gering hoch Entwicklungsstand hoch gering

16 Temperatur Temperatur Folie 16 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Latentwärmespeicher Anwendung Arbeitsmedium Wasser/Dampf => Verdampfung (T=konst) sensibler water Latentspeicher wet steam superheated sensibler Speicher Speicher steam Latentspeichermaterial => Schmelzbereich (T=konst) sensibler sensible Latentspeicher latent sensibler sensible Speicher solid heat Speicher liquid spez. Entropie spez. Entropie Wesentlicher Vorteil: Temperaturkonstanz der Phasenwechsel => Prozessdampf

17 Enthalpy [J/g] Folie 17 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Latentwärmespeicher Auswahl der Latentspeichermaterialien H 2 O Pressure [bar] LiNO 3 -NaNO 3 LiNO KNO 3 -LiNO 3 NaNO 2 NaNO KNO KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 KNO 3 -NaNO Temperature [ C]

18 Folie 18 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Latentwärmespeicher Design Konzepte liquid solid Aluminiumrippen quer Fluid Aluminiumrippen längs

19 Folie 19 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Latentwärmespeicher Stand der Entwicklung - Beripptes Rohrkonzept demonstriert - Graphitrippen / horizontale Rohre => begrenzt auf <250 ºC - Aluminumrippen radial / vertikale Rohre - Aluminiumrippen extrudiert / vertikale Rohre - 5 Testmodule mit kg PCM - Vier Salz-Systeme demonstriert - NaNO3 - KNO3 - NaNO2 142 ºC - LiNO3 - NaNO3 194 ºC - NaNO3 - KNO3 222 ºC - NaNO3 305 ºC

20 Folie 20 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Latentwärmespeicher Demonstration für Kraftwerkseinsatz - Weltweit größter Hochtemperatur- Latentwärmespeicher mit 14 Tonnen NaNO3 (700 kwh) in 2010/2011 erfolgreich getestet (2949 h, 95 Zyklen)

21 Folie 21 > ESS 2012 > Doerte Laing Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > Wärmespeichertechnologien Zusammenfassung - Energiespeicherung ist Schlüsselthema für zukünftige nachhaltige Energieversorgung - Wärmespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und effektives Wärmemanagement in der Prozessindustrie - Wenige thermische Hochtemperatur-Speicher sind kommerziell verfügbar => noch zu teuer für breite Anwendung - Verstärkte Anstrengungen zur Entwicklung eines breiten Portfolios an Speichertechnologien und Speichermaterialien erforderlich

22 Folie 22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit