Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. Thermische Speicher - Neuer Frühling im Zuge der Energiewende Andreas Hauer ZAE Bayern
Inhalt Motivation Wie kann thermische Energie gespeichert werden? Forschung & Entwicklung Thermische Energiespeicher: Anwendungen noch mehr Anwendungen! Zusammenfassung
Motivation Mehr erneuerbare Energien müssen integriert werden! Fluktuierende Energiequellen müssen ausgeglichen werden Energieeffizienz muss gesteigert werden! Ungenutzte Energien müssen nutzbar gemacht werden! Energiespeicherung!
Motivation Energieeffizienz muss gesteigert werden! Ungenutzte Energien müssen nutzbar gemacht werden! = Abwärmenutzung = Thermische Energiespeicher!
Motivation Motivation Mehr erneuerbare Energien müssen integriert werden! Fluktuierende Energiequellen müssen ausgeglichen werden = Elektrizität = elektrische Energiespeicher!
Wie kann thermische Energie gespeichert werden?
Thermische Energiespeicher Methoden der thermischen Energiespeicherung: Speicherung fühlbarer Wärme Speicherung latenter Wärme Thermochemische Wärmespeicherung
Energiedichte / (kwh/m³) Thermische Energiespeicher 600 Speicherkapazität vs. Temperatur MgSO 4 * 6H 2 O 500 400 MgCl 2 * 6H 2 O 300 NiCl 2 NH 3 200 CaCl 2 *NH 3 Silicagel*H 2 O Zeolith*H 2 O Nitrate 100 Salzhydrate Paraffine 0 Wasser 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Temperatur / C
Sensible Speicher Material: Wasser, Steine, Beton, Keramik, Stärken: Niedrige Kosten, robuste Technologie Schwächen: Niedrige spezifische Speicherkapazität Möglichkeiten: Hohe Entladeleistung (flüssig), hohe Speichertemperatur (fest) Herausforderungen: z.b. Thermo-mechanische Stabilität, preisgünstige Materialien für hohe Temperaturen
Gespeicherte Wärme Sensible / Latente Speicher T Q PCM Q Wasser Schmelztemperatur T m Temperatur
Latente Speicher Material: Wasser, Paraffin, Salzhydrate, Zuckeralkohole, Stärken: Hohe spezifische Speicherkapazität, fest gelegte Temperatur Schwächen: Komplexer Wärmeübergang, hohe Kosten, fest gelegte Temperatur Möglichkeiten: Hohe spezifische Speicherkapazität bei kleinen Temperaturunterschieden, passive Temperaturekontrolle Herausforderungen: niedrige Entladeleistung, Langzeitstabilität
Thermochemische Speicher CHARGE + heat + AB + Wärme A+B STORE DISCHARGE + + heat ECN
Thermochemische Speicher Material: Zeolith/Wasser, Silicagel/Wasser, Magnesiumchlorid/Wasser, Magnesiumoxid /Wasser, Lithiumchloride/Wasser, Stärken : Hohe spezifische Speicherkapazität, keine sensiblen Verluste Schwächen : Komplexe Technologie (Prozessparameter, Reaktordesign, ) Möglichkeiten : Einstellbare Temperatur, hoher Wirkungsgrad ( Wärmepumpeneffekt ) Herausforderungen: Starke Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, hydrothermale Stabilität
Forschung & Entwicklung
Materialforschung und -entwicklung
Material F&E Material F&E Verbesserung der Materialeigenschaften! Sensibel: Z.B. spezifische Wärmekapazität und -leitfähigkeit Latent: Z.B. Schmelzenthalpie und -temperatur Thermochemisch: Z.B. Reaktionsenthalpie und- gleichgewicht Für Alle: Z.B. Preis und Stabilität Hauptziel: höhere Speicherkapazität! Die Speicherkapazität ist keine Materialeigenschaft! Keine Zustandsgröße! sondern abhängig vom Prozess!
Material F&E: Sensibel Wichtigstes Speichermaterial = Wasser Weitgehend bekannt! UTES : z.b. Erdsondenspeicher Speichermaterial = Untergrund Thermal Response Test: Zur Bestimmung der thermischen Eigenschaften des Untergrunds
Material F&E: Sensibel Material-Screening: Nach thermischen Eigenschaften und Kosten! Hochtemperatur-beständiges Material: Asbest-Abfälle (verglast) bis 1250 C ρ*c m
Schmelzenthalpie [kj/kg] pro Masse Schmelzenthalpie [kj/l] Pro Volumen Material F&E: Latent Ziel: Hohe Schmelzenthalpie bei der durch die Anwendung vorgegebenen Temperatur! Raumkühlung Raumheizung Schmelztemperatur [ C]
HMDI + PEG 1000 HMDI + PEG 6000 HMDI + PEG 10000 IPDI + PEG 1000 IPDI + PEG 6000 IPDI + PEG 10000 Material F&E: Latent Aktuelle Fragen: Unterkühlung / Kristallisation Formstabile PCM Fest-fest-Übergänge PEG PEG + DI T < T PÜ PEG + DI T > T PÜ
Material F&E. Themochemisch Sorption: Optimierte Zeolithe (Bindemittelfrei) AlPOs / SAPOs MOFs Kompositmaterialien (Kombination geeigneter Salze mit Gerüststrukturen) Binderhaltig Bindemittelfrei Wichtige Frage: Stabilität? ITW CaCl Bentonit
Material F&E: Thermochemisch Chemische Reaktionen: MgO +H 2 O MgCl + H 2 O Li 2 SO 4 + H 2 O MgSO 4 + H 2 O Y. Kato ECN ECN
Speicherkomponenten und -systeme
Komponenten / Systeme: Sensibel Temperaturschichtung Schichtlade-Einheit, Skalierung SWM Superisolation Im Experiment: λ = 0,01 W/mK bei 90 C und 0,1 mbar
Komponenten / Systeme: Latent Verbesserung der thermischen Leistung Mikro- Makro- PCM Slurry -Verkapselung http://www.sunwell.com Wärmetauscher
Komponenten / Systeme: Thermochemisch Reaktor-Lay-out: Magnesium-Chlorid-Hexahydrat (ECN) Trennung zwischen Material Bevorratung und Reaktionszone ITW Mobiler Sorptionsspeicher mit Zeolith ECN
Thermische Energiespeicher Anwendungen
Kühlen Air Conditioning, Raumkühlung Randbedingungen: Niedrige Temperaturen: 0 C 26 C Kleine Temperaturdifferenzen (ΔT) Hohe Leistungsanforderungen Beschränkte Zyklenzahl (außer in heißem und feuchtem Klima) Entfeuchtung (!)
Kühlen Geeignete thermische Energiespeichertechnologie: Latentwärmespeicher und flüssige (oder feste) Sorptionsspeicher Passive Cooling Phase Change Slurries Offene Desiccant -Systeme
Heizen Raumheizung und Warmwasserbereitstellung Randbedingungen: Mittlere Temperaturen: 25 C 60 C Hohe Speicherkapazität Niedrige Leistungsanforderung (Heizen) / Hohe Leistungsanforderung (Warmwasser) Kurzzeitspeicher/ Saisonale Speicherung
Heizen Referenzsystem: Warmwassertank! Geeignete thermische Energiespeichertechnologie: Latentwärmespeicher, Adsorptionsprozesse und chemische Reaktionen Warmwasserspeicher Unterkühltes PCM Chemische Reaktion: Magnesium-Chlorid
Prozesswärme Industrielle Anwendungen (z.b. Lebensmittelindustrie) Randbedingungen: Hohe Temperaturen > 150 C Hohe Speicherkapazität Hohe Leistungsanforderungen Hohe Zyklenzahlen
Prozesswärme Geeignete thermische Energiespeichertechnologie: Latentwärmespeicher, Adsorptionsprozesse und chemische Reaktionen Hochtemperatur-PCM Offener Adsorptionsspeicher für Trocknungsanwendungen
noch mehr Anwendungen!
In/Out und One-Way In/Out Energiespeicher z.b. Elektrizität rein / Elektrizität raus oder Wärme rein / Wärme raus One-Way Energiespeicher (demand side management) z.b. Elektrizität rein / Wärme raus Die Speichertechnologien können die selben sein!
Anwendungen: Power-to-Heat Elektrisch Thermisch Windstrom in Kühlschränken speichern 20 Millionen Kühlschränke (<50% der deutschen Haushalte) PCM-Kältespeicher für 12 Stunden Ladezeit 3 Stunden Preis 5 Elektrische Leistung Speicherkapazität 1,15 GW 3,5 GWh Durch die Umwandlung von Strom zu Wärme können thermische Speicher verschiebbare Lasten im Netz generieren
Zusammenfassung
Zusammenfassung Thermische Energiespeicherung kann durch eine Vielzahl verschiedener Technologien realisiert werden Viele Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten für Thermische Energiespeicher Thermische Energiespeicher müssen auf ihre tatsächliche Anwendung hin ausgewählt werden Thermische Energiespeicher können eine preisgünstige Lösung für die dezentrale Speicherung erneuerbarer Elektrizität sein
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! ZAE Bayern