THERMISCHE SPEICHERUNG FÜR INTELLIGENTEN NETZE Technologie und Nutzen Dr.-Ing. Wolfgang Kramer Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Klimaenergy 2013 Bozen, 20.9.2013 www.ise.fraunhofer.de
AGENDA Kurzvorstellung Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme Wärme- und Kältespeicher Motivation Technologie Ausführungsbeispiele große Wärmespeicher Integration von Wärme/Kälte und Strom 2
Die Fraunhofer-Gesellschaft im Profil Führende Organisation für angewandte Forschung in Europa 20 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung 60 Forschungsinstitute an verschiedenen Standorten in Deutschland Mehr als 1,8 Mrd. Euro Forschungsvolumen jährlich, davon 1,5 Milliarden Vertragsforschung 3
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE 1300 Mitarbeiter Budget ca. 70 Mio EUR Forschungsschwerpunkte Energieeffizienz Energiegewinnung Energieverteilung Energiespeicherung 4
Wärme- und Kältespeicher - Motivation Warum thermische Speicher? Der thermische Energieverbrauch entspricht etwa dem 2,5-fachen des elektrischen Energieverbrauchs Speicherung von Wärme und Kälte ist mindestens ebenso wichtig wie die Speicherung von Strom 5000 4000 3000 2000 1000 0 Vergleich Energieverbräuche in Deutschland 2011 in PJ Thermischer Energieverbrauch (Wärme + Kälte) Stromverbrauch Quelle Daten: Energiedaten BMWI 2012 5
Wärme- und Kältespeicher - Motivation Warum Speicher? Zeitlicher Ausgleich von Angebot und Nachfrage Erhöhung der Anteile regenerativ bereitgestellter Energie Erhöhung der Wirkungsgrade von konventionellen Energiewandlungssystemen Heizen Kühlen Brauchwasser Solarstrahlung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Monat Thermisches Energieangebot und nachfrage eines Gebäudes 6
Wärme- und Kältespeicher - Technologie Sensible Wärme Latente Wärme Wärmekapazität Wasser 4.19 J/gK 0 C -> 80 C = 335J/g Schmelzwärme Wasser - Eis 0 C -> 0 C = 333J/g 7
Wärme- und Kältespeicher - Technologie Speichertechnologien sensibel latent thermochemisch Flüssigkeit Feststoff organische Materialien anorganische Materialien Sorptionsspeicher chemische Speicher Wassertank Stein Paraffine Salzhydrate Adsorption Aquifer Gebäudemasse Fettsäuren Salze Absorption 8
Wärme- und Kältespeicher - Technologie Sensible große Wärmespeicher für Wärmenetze Heißwasser-Wärmespeicher (60-80 kwh/m³) Erdbecken-Wärmespeicher (60-80 kwh/m³) Source: solites/mangold Erdsondenspeicher (15-30 kwh/m³) Aquifer-Wärmespeicher (30-40 kwh/m³) Quelle: Solites/ Mangold 9
Wärme- und Kältespeicher - Ausführungsbeispiele Saisonaler Wärmespeicher in München 2006 (5700 m³) Quelle: Solites/ Mangold 10
Wärme- und Kältespeicher - Ausführungsbeispiele Aquifer-Speicher Reichstag Berlin bestehend aus 2 Speicher: Kältespeicher in 60m Tiefe 6-28 C Wärmespeicher in 300m Tiefe bis 70 C (BHKW-Abwärme) Quelle: GTN/Kabus 11
Integration von Wärme/Kälte und Strom Intelligente Nutzung von Stromüberschuss zur Wärme/Kälteerzeugung und Speicherung CSP zur Stromerzeugung mit thermischer Speicherung 100% Erneuerbare Energieversorgung durch intelligente Systemintegration von Solarwärme, Windstrom und Biomasse 12
Integration von Wärme/Kälte und Strom Intelligente Nutzung von Stromüberschuss zur Wärme/Kälteerzeugung und Speicherung Kühlschrank mit PCM Speicher für Camping-Anwendungen Auch im Haushalt könnten PCM-Kühlschränke zum Lastmanagement beitragen und den Strom-Eigenverbrauch erhöhen Quelle: SunDanze Refrigeration, Inc. 13
Integration von Wärme/Kälte und Strom CSP zur Stromerzeugung mit thermischer Speicherung 2 Speicher kalt und heiß für Belade- und Entladezyklus Entkopplung von thermischer Energieerzeugung und Stromerzeugung 14
Integration von Wärme/Kälte und Strom CSP zur Stromerzeugung mit thermischer Speicherung 2 Tanks 386/292 C Höhe 14m Durchmesser 38,5m Kapazität: 1010 MWh ~ 7,7h ~ 28500t Salz Andasol-Speichersystem (Quelle: Beyond Zero Emmissions) 15
Integration von Wärme/Kälte und Strom Systemintegration von Solarwärme, Windstrom und Biomasse 16
Integration von Wärme/Kälte und Strom Systemintegration von Solarwärme, Windstrom und Biomasse Marstal, Dänemark 33000 m² Kollektorfläche 75000 m³ Speichervolumen 23 MWth 1650 consumers Foto nur, wenn Freigabe vorliegt Quelle: Marstal Fjernvarme/ Kjærgaard Larsen 17
Integration von Wärme/Kälte und Strom Systemintegration von Solarwärme, Windstrom und Biomasse Marstal, Dänemark Speicherbau Quelle: Marstal Fjernvarme/ Kjærgaard Larsen 18
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Vortragender: Dr. Wolfgang Kramer www.ise.fraunhofer.de wolfgang.kramer@ise.fraunhofer.de 19
BACKUP Investitionskosten großer thermischer Wasserspeicher in D Investment cost per m³ water-equivalent [Euro/m³] 500 450 400 350 300 250 200 Ilmenau (HW-GRP) Crailsheim Rottweil (HW) Kettmannhausen (HW-GRP) Steinfurt Stuttgart (K/W) Hannover (HW-HDC) Hamburg Bielefeld 150 Munich Berlin- Biesdorf 100 Chemnitz Friedrichshafen (HW) Neckarsulm 50 (1. phase) Potsdam Rostock Crailsheim 0 100 1,000 10,000 100,000 Storage volume in m³ water-equivalent [m³] realized study hot-water (HW) gravel/water (GW) BTES ATES GRP: glass-fiber reinforced plastic; HDC: high-density concrete; ATES: Aquifer Thermal Energy Storage BTES: Borehole Thermal Energy Storage Quelle: Solites/ Mangold 20