Thermochemische Energiespeicher

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1 Thermochemische Energiespeicher Christian Sattler und Rainer Tamme, DLR Institut für Technische Thermodynamik Folie 1 >

2 Argumente für Speichertechnik Ziel nationaler und europäischer Energiepolitik Energieeffizienz signifikant erhöhen und Energiebereitstellung aus RES deutlich steigern Energie- Effizienz bei Nutzung verbessern Anteil EE erhöhen Umwandlungs- Effizienz verbessern Folie 2 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

3 Notwendigkeit effizienter und wirtschaftlicher Energiespeicher Zentrales Element zur Reduzierung fossiler Brennstoffe Erhöhung der Energieeffizienz im Bereich thermischer Prozesse zur Erzeugung von Strom und Wärme Zwingend notwendig für Ausbau erneuerbarer Energien (Wind, Sonne) Erforderlich für vermehrten Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung Verbesserung der Flexibilität bei konventioneller Stromerzeugung Schlüsseltechnologie für Ausbau der Elektromobilität Unterscheidung in Stationäre Energiespeicher zum Ausgleich zeitlicher Angebots- und Bedarfsprofile, Wärmemanagement und Effizienzsteigerung Mobile Energiespeicher für den Ausgleich örtlicher Angebots- und Bedarfsprofile, Substitution fossiler Kraftstoffe (durch chemischen Speicher Wasserstoff, durch Elektrizität) Folie 3 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

4 Herausforderung - Breites Anforderungsprofil Leistungsbereich von kw bis MW Kurzzeitspeicher Minuten bis Stunden Langzeitspeicher Tage bis Monate Kapazität von wenigen kwh bis GWh Temperaturbereich von C Diverse Wärmeträgermedien wie: Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc. Folie 4 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

5 Speicherkonzepte Folie 5 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

6 Warum thermo-chemische Speicherung Extrem hohe Energiedichte Speichermedium Feststoff (materialabhängig) Betonspeicher Regenerator/Schüttspeicher Wasser ** Phasenwechsel-Material Adsorption (materialabhängig) chemische Reaktion (materialabhängig) Technisch erzielbare Speicherkapazität kwh/m³ 50 kwh/m³ 50 kwh/m³ kwh/m³ kwh/m³ kwh/m³ Faktor * 0, ,6 2,5 5-8 (* normiert auf das Speichermedium Wasser, ** bei einer Temperaturänderung von 50 K) Extrem verlustarme und langzeitstabile Wärmespeicherung Hohe Lade-/Entladeleistungen erzielbar Möglichkeit für Wärmetransport und Wärmetransformation Folie 6 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

7 Was ist Thermochemische Energiespeicherung Katalytische Reaktionen CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 Zersetzung von Salzen NH 4 HSO 4 NH 3 + H 2 O + SO 3 Zersetzung von Metallhydroxiden Ca(OH) 2 CaO + H 2 O Zersetzung von Metallkarbonaten CaCO 3 CaO + CO 2 Zersetzung von Metallsulfaten MgSO 4 MgO + SO 3 Zersetzung von Metalloxiden 2 MnO 2 Mn 2 O 3 + ½O 2 Zersetzung von Metallhydriden MgH 2 Mg + H 2 Metalloxide für thermo-chemische Speicherung (thermische Energie oder chemische Energie) und elektrochemische Speicherung (Li/O2) Folie 7 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

8 Warum chemischer Speicher Wasserstoff? kohlenstofffreier Energieträger kann aus den meisten Energieträgern hergestellt werden erlaubt eine Entkopplung von Energiebedarf und Energieressourcen Stationäre und mobile Speicherung erneuerbarer Energie die technischen Grundlagen für eine Wasserstoffwirtschaft liegen heute bereits weitgehend vor aus Kimaschutzgründen macht die Wasserstoffnutzung langfristig nur Sinn, wenn der Wasserstoff aus erneuerbaren Energien gewonnen wird Wasserstoffnutzung muss sich technisch, ökonomisch und ökologisch gegen konkurrierende Technologien durchsetzen Folie 8 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

9 DLR Kompetenz - Thermische Energiespeicher und thermochemische Wasserstofferzeugung Langjährige Erfahrung auf dem Gebiet thermischer Hochtemperatur- Wärmespeicher mit Schwerpunkt sensible Speicher und Latentwärmespeicher Führende Forschungseinrichtung in Deutschland und Europa im Bereich Hochtemperaturwärmespeicherung Größte Forschergruppe und führende Forschungseinrichtung in Europa im Bereich konzentrierender Solartechnik Langjährige Expertise im Bereich Elektrochemie, Elektrolyse und Brennstoffzellen Wissenschaftliche Preise und Auszeichnung IPHE Award, Descartes Preis für thermochemische Wasserstoffforschung Führende Mitarbeit bei IEA im Programm Speichertechnik und Wasserstofftechnik, Brennstoffzellentechnik Folie 9 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

10 Aktuelle DLR Arbeiten: Thermische Speicher für Solare Kraftwerkstechnik (200 bis 1000 C) Verschiedene sensible TES Konzepte Mit Fokus auf Rinnen und Turm-Technologie Öl / Beton Oil / Flüssigsalz Luft / Feststoff Festbett/Schüttung/Fließbett Salt pump ceramic spheres Salt storage tank Immersion heater (4) Distribution ring header insulation metal grate Foundation Folie 10 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

11 Aktuelle DLR Arbeiten: Latentwärmespeicher für Wasser/Dampf Systeme Kraftwerke mit Dampfturbinen und industrielle Prozesswärme ( C) Realisierte PCM Anwendungen mit hoher thermischer Leitfähigkeit Erstes 100 kw Testspeichermodul PCM/Graphit-Composite thermische Leitfähigkeit 5-10 W / mk Finned Tube Design effektive Lightfähigkeit > 10 W/ mk PCM: 2000 kg Nitrat Salz kg Graphite Platten maximaler Druck: 40 bar Betriebstemperatur: C Lade-/entlade Leistung 100 kw, thermische Kapazität 100 kwh Folie 11 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

12 Aktuelle DLR Arbeiten: Thermo-Chemische Speicher Reaktordesign und integration mit einem Solarturm für thermochemische Reaktionen Folie 12 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

13 DLR Arbeiten: Solare Wasserstoff Produktion Übergangsverfahren Fossile Rohstoffe Reformierung Vergasung/PrOx SOLREF (SCR, SOLASYS) Cracken SOLHYCARB Biomasse Pyrolyse Energetische Nutzung H 2 Speicherung für stationäre und mobile Anwendungen Offene TC-Prozesse Erneuerbare Verfahren Direkte Spaltung Wasser TC-Kreisprozesse HT-Elektrolyse HYDROSOL 1+2 HyCycleS (HYTHEC) +Strom für WH Cycle (Hi2H2) + Strom Folie 13 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

14 HYDROSOL: 2-Stufiger thermochemischer Kreisprozess Η Η Η Η Η Η MO oxidized 800 C Η Η MO oxidized reduced C Folie 14 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

15 Umsetzung in Reaktoren HYDROSOL: Konti-Reaktor N 2 +O 2 H 2 + N 2 H 2 O + N 2 T = 900 C N 2 T = 1200 C Folie 15 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

16 Umsetzung in Reaktoren HYDROSOL: Konti-Reaktor H 2 + N 2 N 2 +O 2 H 2 O + N 2 T = 900 C N 2 T = 1200 C Folie 16 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

17 HYDROSOL 2 Pilot Reaktor, Einweihung Folie 17 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

18 Solare thermochemische Wasserspaltung Potential 100,0% 90,0% 80,0% Elektrolyse Hydrosol 70,0% Wirkungsgrad 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0% Feld Receiver Umwandlung Gesamt Folie 18 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

19 Ergebnisse solare thermochemische Wasserspaltung Solare Tests 0,0012 0,0010 0, day m'(h2) [g/sec] 0,0006 0,0004 0,0002 0, time [sec] Folie 19 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

20 Zusammenfassung Energiespeicherung ist Schlüsselthema für zukünftige nachhaltige Energieversorgung Chemische Umwandlungsprozesse eröffnen neue hocheffiziente und kostengünstige Lösungen für stationäre und mobile Speichertechnik DLR Kompetenz auf den Gebieten Thermal Engineering, Hochtemperaturspeichertechnik, Thermochemische Wasserstofferzeugung und Elektrochemie bietet hervorragende (in Deutschland einmalige) Ausgangsposition für Ausdehnung auf Thermochemische Speichertechnik Aktivitäten sollen am Standort NRW ausgebaut werden um die führende Kompetenz auf dem Gebiet Thermochemische Speichertechnik des DLR mit Industrie und Wissenschaft zu vernetzen Zusammenarbeit in NRW bietet hohe Chancen auf marktnahe Lösungen und Umsetzung in neue zukunftsfähige Technologie Folie 20 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Folie 21 > 13. Fachkongress Zukunftsenergien, Essen, > Rainer Tamme, Christian Sattler