Einsatzmöglichkeiten adiabater Druckluftspeicher im Energieversorgungssystem der Zukunft
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- Emilia Schulze
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1 Einsatzmöglichkeiten adiabater Druckluftspeicher im Energieversorgungssystem der Zukunft 16. Brandenburger Energietag 2014, Cottbus, Dipl.-Ing. Marcus Budt
2 Die Fraunhofer-Gesellschaft Forschung und Entwicklung führende Organisation für angewandte Forschung in Europa Erfindungen Platz 15 unter deutschen Patentanmeldern 1 Unternehmertum Institute arbeiten als Profit-Center 1 3 industrielle Auftragsforschung 1 3 öffentlich finanzierte Forschung 1 3 von Bund/Ländern (Vorlaufforschung) Vertragspartner Industrie und öffentliche Hand 1 Quelle: Jahresbericht 2012, Deutsches Patent- und Markenamt (Platz 1: Robert Bosch GmbH, Platz 2: Daimler AG, Platz 3: Siemens AG) Folie 2
3 Die Fraunhofer-Gesellschaft Itzehoe Rostock Bremerhaven Lübeck Hamburg 67 Institute und Forschungseinrichtungen 2 Milliarden Euro Forschungsvolumen davon 1,7 Mrd. Vertragsforschung Rund Mitarbeiter (m/w) 1 40 Standorte in Deutschland 13 Institute in NRW 4 Institute im Ruhrgebiet Institut/selbständige Einrichtung sonstiger Standort Zentrale Oldenburg Frankfurt Darmstadt Mannheim Wertheim/ Bronnbach Sulzbach St. Ingbert Saarbrücken Karlsruhe Pfinztal Ettlingen Stuttgart Freiburg Kandern Efringen-Kirchen Bremen Hannover Braunschweig Alzenau Würzburg Bayreuth Sulzbach-Rosenberg Erlangen, Nürnberg, Fürth Augsburg Weßling Freising Potsdam- Golm Regensburg München, Garching Prien Holzkirchen Wildau Teltow Münster Magdeburg Gelsenkirchen Lemgo Goslar Cottbus Oberhausen Dortmund Paderborn Halle Göttingen Leipzig Schkopau Duisburg Kassel Leuna Dresden, Moritzburg Köln Schmallenberg Erfurt Euskirchen Freiberg Bonn, Sankt Augustin Jena Zittau Hermsdorf Chemnitz Aachen Wachtberg Ilmenau Remagen Kaiserslautern Berlin Straubing (m/w) Stand einschl. befristetem Personal mit Vertragslaufzeit von weniger als 18 Monaten Folie 3
4 Speichertechnologien und ihre Einsatzgebiete übliche Leistungs- und Kapazitätsbereiche 100,0000 Discharge rating period [h] [h] 10,0000 1,0000 0,1000 0,0100 0,0010 0,0001 Redox Flow Fig.: Fraunhofer UMSICHT NaS Flywheel Double layer capacitor LA / Li Battery SMES 0,001 0,01 0, Power ratings [MW] CAES H2 Pumped Hydro Langfristiger Ausgleich fluktuierender Erzeugung Pumped Hydro Lastverschiebung CAES Inselnetze PSB Peak Flowshaving VRB Minutenreserve Flow Sekundärregelleistung ZnBr Flow NaS Battery Flywheel Primärregelleistung Lead USV Acid Battery NiCd Battery Li Battery Double-layer Flickerkompensation Capacitor SMES Spannungshaltung Folie 4
5 Charakterisierung von luftbasierten Speichertechnologien nach Art der Speicherung und des Prozesstyps Luftspeicher (AES) komprimierte Luft verflüssigte Luft diabat adiabat isotherm kryogen D-CAES HTA-CAES LTA-CAES I-CAES LAES Prozesstemperatur Folie 5
6 Diabate Druckluftenergiespeicher (D-CAES) Existierende Anlagen in Huntorf und McIntosh Huntorf, Deutschland (1978) 60 MW Komp / 321 MW Exp * 8h Komp / 2h Exp η = 42% Fig.: E.ON Energie McIntosh, USA (1991) 50 MW Komp / 110 MW Exp * 38h Komp / 24h Exp η = 54% Fig.: Energy Storage & Power LLC * hohe Ausspeicherleistung wird durch Gaszufeuerung ermöglicht Folie 6
7 Adiabate Druckluftenergiespeicher (A-CAES) vom Kraftwerk zur reinen Speichertechnologie ohne CO 2 -Emissionen D-CAES A-CAES M Comp Air Exp Motor G M Comp Exp G C Gas Thermal Energy Storage (TES) Compressed Air Storage (CAS) Compressed Air Storage (CAS) cycle E E ch, el dc, el E ch, th 54% cycle E E dc, el ch, el 70% Folie 7
8 Adiabate Druckluftenergiespeicher (A-CAES) Hochtemperaturprozess Kompression Speicherung Expansion Vorteile 70 bar / 650 C 65 bar / 630 C hoher Zykluswirkungsgrad erreichbar (bis ca. 70%) M HD Komp 640 C Thermischer Energiespeicher TES 60 C Exp G atm Herausforderungen Hohe Prozesstemperaturen Verdichterentwicklung notwendig Anfahrdauer >10min. M ND Komp Wärmespeicher für hohe Drücke und Temperaturen aktive Wandkühlung notwendig 35 C Druckluftspeicher Abrasionsgefahr atm bar DLS Hochdynamisches System übliche statische Prozessauslegung nicht ausreichend Folie 8
9 Zykluswirkungsgrad adiabater Druckluftspeicher bei welchen Temperaturen Wärme speichern? Fraunhofer UMSICHT RWE/GE EU-Projekt LTA-CAES 2012 ADELE-ING ab 2013 HTA-/MTA-CAES AA-CAES 2007 ADELE ab 2010 vielstufig zweistufig einstufig start-up < 5 min technisch möglich Folie 9
10 Adiabate Druckluftenergiespeicher (A-CAES) Niedertemperaturprozess Vorteile M Komp Komp Komp Komp Komp Kompression Alle Komponenten sind am Markt verfügbar Wärmespeicher (kalt) Schnelle Reaktionszeiten aufgrund geringerer thermischer Belastung Wärmespeicher (warm) Druckluftspeichervolumen Herausforderungen Hochdynamisches System Speicherung übliche statische Prozessauslegung nicht ausreichend Exp Exp Exp Exp Exp G Expansion Zykluswirkungsgrad von Verschaltung und Interaktion der Einzelkomponenten abhängig Folie 10
11 Forschung & Technologieentwicklung Abgeschlossenes Entwicklungsprojekt: LTA-CAES Rel. niedrige Prozesstemperaturen (< 200 C) Einsatz erprobter und marktverfügbarer Komponenten start-up < 5min. weiter Regelungsbereich Speicherung der Kompressionswärme in flüssigem Wärmeträgermedium Senkung von Kosten- und Gefährdungspotenzial Frei skalierbares Anlagenlayout: 5-50 MW installierter Kompressorleistung (250) bar maximalem Kavernendruck C oberer Speichertemperatur Zykluswirkungsgrad je nach Konfiguration 52-60% AC-AC (grüne Wiese) Upgrade durch Kopplung mit anderen Prozessen möglich (z.b. mit Fernwärme oder BHKW) Fig.: Fraunhofer UMSICHT LTA-CAES Anlagendesign für 50 MW comp / 150 bar Gefördert durch BMU Folie 11
12 Zusammenfassung Fazit & Ausblick komprimierte Luft Luftspeicher (AES) verflüssigte Luft Fazit Adiabate Druckluftspeicherung ist eine vielversprechende Technologie als Tages-/Wochenspeicher Große Zahl unterschiedlicher Anlagenvarianten mit individuellen Stärken und Schwächen und auf unterschiedlichem Entwicklungsniveau Forschungs-/Entwicklungsbedarf diabat adiabat isotherm kryogen Expansionsmaschinen für variierenden Eintrittsdruck Druckluftspeichervolumen D-CAES HTA-CAES LTA-CAES I-CAES LAES Prozesstemperatur Ausblick Tendenz zu niedrigeren Prozesstemperaturen Tendenz zu kleineren Anlagenleistungen (< 20 MW) Folie 12
13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut UMSICHT Bereich Energie, Abteilung Energieanlagen Dipl.-Ing. Marcus Budt marcus.budt(at)umsicht.fraunhofer.de Folie 13
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