Ergebnisse zu mehrjährigen Entwicklungen an einem offenen Sorptionsspeicher mit einem Festbett Zeolith Wärmetauscher für die Raumheizung

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1 Ergebnisse zu mehrjährigen Entwicklungen an einem offenen Sorptionsspeicher mit einem Festbett Zeolith Wärmetauscher für die Raumheizung Henner Kerskes Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, Stuttgart Internet: 1 H. Kerskes 26. Solarthermie-Symposium, Staffelstein, Dateiname.ppt

2 EnErChem Ziel dieses Forschungsvorhabens ist Entwicklung eines innovativen Wärmespeichers für Wärmeversorgung von Ein- und Mehrfamiliengebäuden basierend auf optimierten, hocheffizienten und kostengünstigen Sorptionsmaterialien Umsetzung in Demonstrationsanlage Partner Institut für Technische Chemie (ITC) Universität Leipzig Chemiewerk Bad Köstritz GmbH (CWK) Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) Universität Stuttgart Vaillant GmbH Materialentwicklung und Herstellung Verfahrensentwicklung und Erprobung 2 H. Kerskes

3 Anwendungen Ziel-Anwendungen der EnErChem-Speichertechnologie und Bedeutung für die Energieversorgung Solarthermische Wärmeversorgung: Erhöhung des solaren Deckungsanteils bis hin zur Vollversorgung durch Langzeitspeicherung Kraft-Wärme-Kopplungssysteme: Laufzeitverlängerung und Flexibilität durch verbessertes Lastmanagement Photovoltaik-System: als Ergänzung zur elektrischen Energiespeicherung wird die thermische Energiespeicherung zunehmend eine attraktive Alternative für den elektrischen Eigenverbrauch Image: Vaillant GmbH 3 H. Kerskes

4 Offene Prozessführung - Speicherkonzepte MonoSorp Internes Reaktordesign: Material-Bevorratung ist gleichzeitig Reaktionsort CWS- NT Externes Reaktordesign: Trennung zwischen Material- Bevorratung und Reaktionszone 4 H Kerskes 2. Tagung Dr. Henner - Kompakte Kerskes, ITW thermische Uni Stuttgart Energiespeicher, Wien,

5 Offene Prozessführung - Speicherkonzepte Internes Reaktordesign: Material-Bevorratung ist gleichzeitig Reaktionsort Externes Reaktordesign: Trennung zwischen Material- Bevorratung und Reaktionszone 5 H Kerskes 2. Tagung Dr. Henner - Kompakte Kerskes, ITW thermische Uni Stuttgart Energiespeicher, Wien,

6 Verfahrenskonzept: Solarthermische Anlage mit TCES Ausgangspunkt: Konventionelle Solaranlage mit 20 m² Kollektorfläche und einem 750 l Kombispeicher Thermochemischer Energiespeicher (TCES) wird als offener Sorptionsspeicher in den Solarkreis integriert TCES: Umgebungsdruck Kessel Luft als Transportmedium für Wärme- und Stofftransport Raumheizung WW Beladung des TCES mit Solarwärme Reaktor Luft/Wasser Wärmeübertrager KW Luft 6 H. Kerskes

7 Verfahrenskonzept: Solarthermische Anlage mit TCES Ausgangspunkt: Konventionelle Solaranlage mit 20 m² Kollektorfläche und einem 750 l Kombispeicher Thermochemischer Energiespeicher (TCES) wird als offener Sorptionsspeicher in den Solarkreis integriert TCES: Umgebungsdruck Kessel Luft als Transportmedium für Wärme- und Stofftransport Raumheizung WW Entladung des TCES mit Außenluft bzw. Raumabluf Reaktor Luft/Wasser Wärmeübertrager KW Luft 7 H. Kerskes

8 Externes Reaktorkonzept Materialspeicher und Reaktor sind örtlich getrennt Reaktordesign Reduzierung von thermischen Kapazitäten und Wärmeverlusten während Be- und Entladung Hohe Flexibilität für das Reaktordesign und für die Reaktionsführung Trennung von Kapazität und Leistung Kessel Gute Skalierbarkeit Externer Reaktor Raumheizung WW Thermochemischer- Speicher Speichermaterial trocken Speichermaterial feucht Reaktor K W Luft/Wasser Wärmeübertrager Beladung Entladung Luft 8 H. Kerskes

9 Anforderungen an das Reaktordesign: Reaktordesign Großer Strömungsquerschnitt für den Luftstrom: Reduzierung des Druckverlusts Schwerkraftgetriebener Materialtransport durch den Reaktor: Minimierung des energetischen u. technischen Aufwands Kompakte Konstruktion und geringe Distanzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke: Minimierung der Wärmeverluste Robuste und effiziente Prozessführung: Optimale Nutzung der Speicherkapazitäten des Materials 9 H. Kerskes

10 Speichermaterial Reaktordesign feuchte Luft 10 H. Kerskes

11 Temperaturverteilung im Reaktor 11 H. Kerskes

12 Reaktoreinheit - Materialablass Ziele: Gleichmäßiger Materialtransport Erfassen des Materialvolumenstroms Materialablass über eine Zellenradschleuse Spezifikation: 8 Materialkammern mit je etwa 0.3 l Materialvolumen Diskontinuierlicher Betrieb, eine Kammerfüllung pro Steuerimpuls Einstellung des Material-Massenstroms über Häufigkeit des Steuerimpulses 12 H. Kerskes

13 Konzept ohne Vorreaktor FLUID: xf-out(mean) = 1,1 g/kg TR-out(mean) = 46,7 C TR-out(theo) = 50,4 C SOLID: xs-out(mean) = 317,7 g/kg xs-out(theo) = 317,9 g/kg Ts-out(mean) = 30,1 C T-CTR 13 H. Kerskes

14 Konzept mit Vorreaktor Hauptreaktor Vorreaktor 14 H. Kerskes

15 Konzept mit Vorreaktor 15 H. Kerskes

16 Konzept mit Vorreaktor FLUID: xf-out(mean) = 0,004 g/kg TR-out(mean) = 50,3 C TR-out(theo) = 50,4 C SOLID: xs-out(mean) = 317,6 g/kg xs-out(theo) = 317,9 g/kg Ts-out(mean) = 30,2 C 16 H. Kerskes

17 Aufteilung in Haupt-und Vorreaktor Ziel: Stabiler Reaktorbetrieb auch bei schwankenden Außenbedingungen (Feuchte, Temperatur) Hohe Effizienz: EnErChem-Reaktordesign Material am Ablass vollständig beladen bzw. regeneriert Feuchte der Zuluft wird vollständig adsorbiert Luft-Öl- WÜ El. Heizregister Vorratsbehälter El. Heiister Zellenradschleuse 17 H. Kerskes

18 Hardware in the loop -Prüfstand Entwicklung eines neuen Reaktordesigns Dimensionierung der Reaktoreinheit inkl. Wärmeübertrager Aufbau in einer geschlossenen Versuchseinheit als Hardware in the Loop (HIL) Experimentelle Untersuchung der thermischen Leistungsfähigkeit 18 H. Kerskes

19 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Beispiel Material CaXBF15CC Desorption: ϑ des = 180 C, x des =3,3 g H2O /kg L Zuströmbedingungen ϑ in =20 C, x in = 7 g H2O /kg L, m L =230 kg/h Leistung Adsorption = 1,15 kw Leistung Heizkreis = 0,92 kw Experimentelle Ergebnisse Energiespeicherdichte* = 160 kwh/m³ *bezogen auf Speichermaterialvolumen Experimentell ermittelter Verlauf von Temperatur, Feuchte und Materialwechselsignals bei einer Adsorption im geteilten Reaktor 19 H. Kerskes

20 Ergebnisse aus HIL-Experimenten Wird die Leistung aus dem Reaktor an den Heizkreis übergeben? Theoretische Leistung, Δ, Die Messungen bestätigen schon jetzt eine gute Übertragung der Leistung -> Verbesserungspotential, da der Luft-Wasser Wärmeübertragernicht für die geringen Volumenströme von etwa 130 m³/h ausgelegt wurde 20 H. Kerskes

21 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Zusammenfassung Trennung von Materialbevorratung und Reaktion (Adsorption) Entwicklung und Erprobung eines neuen Reaktordesigns Unterteilung in Haupt- und Vorreaktor Robuste und effiziente Reaktionsführung Umsetzung des Speicherkonzepts im Labormaßstab erfolgt, Betrieb unter realitätsnähen Bedingungen im Hardware in the Loop Experimentelle Untersuchungen zeigen bereits gute Effizienz, weiteres Entwicklungspotential vorhanden (Reduzierung Wärmeverluste) ϑ 21 H. Kerskes

22 Ausblick EnErChemLARGE Langzeit-Speicherung von Überschuss-Wärme und/oder -Strom im MWh-Bereich durch Sorptionstechnik Speicherkapazität: 40 MWh 22 H. Kerskes Speicherkapazität: 7 MWh

23 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Henner Kerskes Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, Stuttgart Internet: 23 H. Kerskes 26. Solarthermie-Symposium, Staffelstein, Dateiname.ppt