Feststoff-Sorptionsprozess für industrielle-wsp Bernhard Zettl Contact: zettl.bernhard@asic.at 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 1 Inhalt Ad-Sorptionsverhalten (Flow-TCS) De-Sorptionsverhalten (Dual-Desorption) Industrielle Anwendungen- (Beispiele und Konzepte) 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 2
Austria Solar Innovation Center Projekt FLOW-TCS FLOW TCS, kooperatives Projekt NE2020 Ziel Verlustfreie der Entwicklung: Solarspeicher Verfahrenskonzept mittels thermo-chemischer für kompakte und verlustlose Granular-Flow-Materialien, 36 Monate Laufzeit, Ende: Dez 2014 Solar-Wärmespeicher bewegter Reaktionsraum für gute Effizienz und Steuerbarkeit Verwendung eines granulares thermo-chemischen Speichermaterials auf Projektpartner: Basis ASICkostengünstiger Austria Solar Rohstoffe Innovation (natürliche Center- Zeolithe, Außeruniversitäre Salze) Forschung, AIT Modellbildung Austrian durch Institute thermo-physikalische of Technology- Methoden Außeruniversitäre und Forschung IPUS KMU, Führend in Migulatoren-Technologie Simulationsverfahren. 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 3 Wärmetrommel Aufbau Offene Sorption: Luft dient als Feuchte und Wärme- Transportmedium, Volumen-Strom 140 m³/h, Druckabfall ca. 800 Pa El. Antrieb 120W Outlet Inlet 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 4
Funktionsprinzip- offenes System homogene Durchströmung, geringe Ventilatorleistung geringe Wärmekapazität gute Steuerbarkeit Verwendung von salzimprägnierten Materialien ist möglich, da eine Über-Hydratation vermeidbar ist Kostengünstige Speichermaterialien mit moderaten Desorptions- Temperaturen, Leichte Transportierbarkeit des Schüttgutes 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 5 Temperaturkurven mit Zeolith 70kg Zeolith 4A (ca. 2% H 2 O), Luftstrom 140 m³/h, x ein =16 g/kg Erwärmung Konstant - Phase Abkühlung T= T aus -T ein 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 6
Gemessene Energie pro Füllung (70kg) Lieferzustand Getrocknet bei 180 C Getrocknet bei 230 C Effiziente Desorptionsmethode notwendig Temperatur-Effizienz 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 7 Speicherkapazität des 4A-Zeolith Erreichbare Max- Temperatur ist abhängig von Eingangs-Luftfeuchte Wärme-Speicherkapazität abhängig vom Desorptionsgrad und maximaler Aufnahmefähigkeit 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 8
Zeolith-Composite Material Feuchteaufnahme des Composite- Materials MgSO 4 + MgCl 2, zwei Imprägniergrade Vergleichbare Aufnahmekinetik und Energiespeicherdichte wie Zeolith Feuchteaufnahme des Composite- Materials MgSO 4 + LiCl 2, drei Zusammensetzungen 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 9 Desorptions-Energien Desorption Regeneration des Materials (= Speicher laden) 1. Sensible Wärme (erhitzen, abkühlen) 2. Latente Wärme (verdunsten, kondensieren) 3. Bindungsenergie Werte (typ.) pro kg (trocken) Zeolith: T des =200 C, 20% rev. Wasseranteil Q sens = 144 kj (ZEO) + 150 kj (H2O) Q latent = 452 kj Q bind = 700 kj 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 10
Desoptionsverfahren -Zeolith TSA temperature shift adsorption (100 mbar) PSA pressure shift adsorption PSA + TSA TSA PSA 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 11 Salz Entfeuchung Quelle: Iype-Diss, 2014 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 12
Thermische Desorption + Mikrowelle Thin layer desorp on of Zeolite 4A in oven 0,2 0,18 0,16 0,14 250 C A 250 C B 180 C Water content [%] 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Time [min] Rahmenbedingungen: T=23 C, TP=10 C X = 19% zu Beginn Trocknung von 1 Lage Granulat (1,6 2,5 mm) 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 13 Projekt: Dual- Desorption Kombinierte, thermische und elektrische getriebene Desorption Aufbau eines Demonstrators zur Konzeptentwicklung 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 14
Warum industrielle Wärme speichern? Stromerzeugung aus Abwärme <350 C ist teuer und wird komplizierter wenn der Abgasstrom hohe Beladungen (Staub, korrosive Gase) aufweist. Vor allem in der Grundstoffindustrie und der Metallurgie werden viele Batchprozesse verwendet, welche durch Speicherung der Prozessabwärme, diese für das Anfahren der nächsten Charge benötigen würden. Erster Speicher dieser Art waren sensible Speicher: Winderhitzer oder Cowper bei Hochöfen Falls Abwärme nicht lokal nutzbar Transport 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 15 Materialtrocknung Für anspruchsvolle Trockenprozesse Bis -60 C Taupunkt Wittmann-Battenfeld 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 16
Entfeuchung der Prozessluft Trocknen von Lebensmitteln bei geringen Temperaturen (5 C...10 C) in Reiferäumen Munters 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 17 N 2 -Gasgewinnung PSA / N2-GENERATOR Hochreiner Stickstoff durch PSA FUNKTIONSWEISE PSA STICKSTOFFERZEUGER Zwei mit Molekularsieb gefüllte Behälter (CMS) werden wechselseitig mit Druckluft beaufschlagt. Durch Adsorption wird Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasseranteile entfernt, der zweite Behälter wird regeneriert 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 18
Trocknung (mit Transport) Die Wärme zur Desorption des Zeolith-Festbett wird von einer Müllverbrennungsanlage geliefert und in einem ca. acht Kilometer entfernten Trocknungsprozess einer Getreidemühle genutzt ZAE Bayern 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 19 Industrielle Anwendungen Thermische Speicher Trocknung Gas-Separation Wasser Reinigung uvm... Molekularsiebe + Thermochemische Speicher Materialauswahl abhängig von: Wärmequelle (Temp. + Leistung) Nutzungs-Temperatur Zyklenzahl (Stabilität) Nur Molekularsiebe Materialauswahl abhängig von: Gewünschter Funktion Ionentausch Gasaufnahme, etc. 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 20
Sorptionsspeicher-Konzepte Offen Hohe DS-Temperatur oder Luft-konditionierung Geschlossen aufweniges Vakuumsystem (stationär), T-Senke Bewegtes Reaktionsbett aufwendiges Material- Handling transportabel, gut steuerbar? Festbett aufwendiger Wärmetauscher Externer Verbraucher (Heizung oder Trocknung) wenn lokale Nutzung wertlos einfache Prozesstechnik, rel. hoher Druckverlust geringe DS- Temperaturen Lokale Wärmespeicherung wenn Prozessunterstützung möglich 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 21 THANK YOU FOR YOUR ATTENTION! zettl.bernhard@asic.at 23. Okt. 2014 BMVIT-Tagung Kompakte Thermische Speicher 22