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Einsatzmöglichkeiten von Wärmespeichern in industriellen Prozessen

DLR – Institut für Technische Thermodynamik

Dr. Ing. Markus Eck

12. März 2014

www.DLR.de/TT • Folie 2 > DLR – Einsatzmöglichkeiten von Thermischen Wärmespeichern in Industriellen Prozessen > Markus Eck > 11.03.2014

Gliederung

- Warum werden thermische Energiespeicher benötigt?

- Welche industriellen Prozesse eignen sich?

- Welche thermischen Energiespeicher eignen sich?

- Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR?

- Zusammenfassung und Ausblick?


Warum werden thermische Energiespeicher benötigt?Zukünftiger Wärmebedarf und Speicher

- Senkung des Wärmebedarfs durch Effizienzsteigerung

- Zunahme des Anteils der erneuerbaren Energien an der Wärmeversorgung

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2007 2015 2020 2030 2040 2050

Wärmeb

edarf [PJ]

Jahr

Effizienzsteigerung

Geothermie

Solar

Biomasse

Fossil

Quelle: http://www.greenpeace.org/belgium/Global/belgium/report/2010/7/Energy_Revolution_En.pdf

Durch Speichereinsatz:

- Ausnutzung zusätzlicher Integrationsmöglichkeiten

- Flexibilisierung der Prozesse

- Nutzung regenerativer Energien


Warum werden thermische Energiespeicher benötigt?Nutzung solarer Prozesswärme

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Leistung

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e)

Thermischer Speicher


Quelle: Deutscher Wetterdienst, Testreferenzjahre 2004

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Sola

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Sola

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Warum werden thermische Energiespeicher benötigt?Ausnutzung zusätzlicher Integrationsmöglichkeiten

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Leistung

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Warum werden thermische Energiespeicher benötigt?Ausnutzung zusätzlicher Integrationsmöglichkeiten

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Leistung

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Leistung

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Warum werden thermische Energiespeicher benötigt?Flexibilisierung der Prozesse

Strom

Wärme

Kälte




Welche industriellen Prozesse eignen sich?Wärmemengen nach Temperaturniveau

- Zahlreiche potenzielle Industrieprozesse - Großes Temperaturspektrum

Ener

giev

erbr

auch

für P

roze

ssw

ärm

e [P

J]

Quelle: Technology orientated analysis of the emission reduction potentials in the industrial sector in the EU-27 Ralf Kuder, 23.06.2010, Stockholm


Welche industriellen Prozesse eignen sich?Heizwerke (in Kooperation mit STEAG New Energies GmbH)

- Insgesamt 63 Anlagen (1.963 GWhth, 960 Gwhe) - Einteilung in sechs Gruppen (je nach

Vergütungsmodell, Wärmeerzeugung und Kundenstruktur)

- In fünf der sechs Gruppen waren mögliche Maßnahmen bereits umgesetzt oder nicht sinnvoll

- Speichereinsatz sinnvoll bei Heizkraftwerk Gefördert durch:

aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages


Welche industriellen Prozesse eignen sich?Zwischenfazit

Ein Speichereinsatz ist sinnvoll wenn:

- die energetische Prozessintegration ausgeschöpft ist

- eine hinreichend große Abwärmemenge vorliegt

- ein lokaler Energiebedarf besteht

- Angebot und Nachfrage zeitlich nicht zusammenfallen

Anwendungen


Welche thermischen Energiespeicher eignen sich?Welche Anforderungen werden an therm. Energiespeicher gestellt?

Anwendungen Speicherprinzip

ReaktionsWärme

Latent Wärme

Sensible Wärme

Anforderungeno Temperatur

o Wärmeträgerfluid

o Lade-/Entlade-Charakteristik

o Speicherkapazität


Welche thermischen Energiespeicher eignen sich?Aktuelle Speichertechnologien

Regeneratorspeicher- Gasförmige Arbeitsmedien- Hohe Temperaturen

Flüssigsalzspeicher- Mittlere Temperaturen- Hohe Kapazitäten

Ruths-Speicher (Gefällespeicher)- Dampf als Arbeitsmedium- Moderate Drücke


Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR?Allgemeiner Ansatz

- Großforschungsrelevante Themen

- Abdeckung aller Entwicklungsaspekte

- Vom Labormaßstab bis zur industriellen Umsetzung


Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR?Regeneratorspeicher

Herausforderungen- Günstige Speichermaterialien- Thermo-mechanische Belastungen- Entwurfsgrundlagen lückenhaft

Methoden- Untersuchung von Natursteinen- Messung und Simulation der thermo-

mechanische Belastungen- Strömungssimulation- Auslegung, Bau und Betrieb eines

Demonstrators im Technikumsmaßstab


Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR?Flüssigsalz-Speicher

Herausforderungen- Materialkompatibilität (Korrosion)- Thermische Stabilität der Salze- Kostensenkung

Methoden- Korrosionsuntersuchungen- Untersuchung des chemischen Verhaltens bei

hohen Temperaturen- Untersuchung alternativer Salzsysteme- Untersuchung alternativer Speicherkonzepte- Planung, Bau und Betrieb eines Demonstrators

im Technikumsmaßstab


Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR?Phasenwechsel Speicher (PCM)

Grundprinzip- Isotherme Speicherung - Nutzung der Phasenwechselenthalpie

(fest/flüssig)

Vorteile- Große Wärmemenge in kleinem

Temperaturbereich- Ideal für isotherme Prozesse

(Verdampfung/Kondensation)- Vielzahl von Materialien für

unterschiedliche Einsatztemperaturen

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LiNO3-NaNO3

KNO3-LiNO3

KNO3-NaNO2-NaNO3

LiNO3


Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR?Phasenwechsel Speicher (PCM)

Herausforderungen- Materialkompatibilität- Geringe Wärmeleitfähigkeit- Systemintegration

Methoden- Einsatz innovativer

Wärmeleitkonzepte- Entwicklung innovativer

Speicherkonzepte- Planung, Bau und Betrieb von

Demonstratoren- Einsatz im Heizwerk der

STEAG New Energies GmbH


Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR?Thermochemische Speicher

Grundprinzip- Reversible Gas-Feststoffreaktion- Gase: Wasserdampf, Sauerstoff,

Wasserstoff

Vorteile- Hohe Speicherdichte- Langzeitspeicherung möglich- Sehr günstiges Speichermedium

bspw. CaO/Ca(OH)2

- Temperaturen Umg. - 1000°C - Wärmetransformation Speicher

kWh/m3

Reaktor

kW

Afest

ABfest

Bgas

A+B AB + Wärme


Welche Entwicklungspfade verfolgt das DLR?Thermochemische Speicher

Herausforderungen- Speichermaterial (Zyklenstabilität,

Kinetik, etc.)- Reaktionsführung (Wärme- und

Stofftransport)- Prozessintegration (Gas handling)

Methoden- Charakterisierung und Modifikation

des Speichermaterials- Entwicklung und Untersuchung von

Reaktorkonzepten- Untersuchung der

Wärmetransformation


Zusammenfassung

- Breites Anforderungsspektrum für thermische Energiespeicher

- Es gibt nicht die eine Speicherlösung für alle Anforderungen

- Aktuelle Entwicklungstendenzen- Kostensenkung etablierter Technologien- Entwicklung innovativer Speicherkonzepte (höhere

Speicherdichte, angepasste Betriebscharak-teristik…)

- DLR adressiert die wesentlichen offenen Fragen von der Grundlagenentwicklung bis zur Anwendung


Ausblick

Aus Industrieprozessen liegen i.d.R. vor:- Integrale Wärmemengen- Geordnete Jahresdauerlinien

Für Speicherintegration werden benötigt:- Zeitlich aufgelöste Daten der relevanten

Prozessparameter

⇒ Detaillierte Prozessanalyse erforderlich

Dr.-Ing. Markus [email protected]+ 49 711 6862 429

Diskussion

Dr.-Ing. Antje Wö[email protected]+ 49 711 6862 484

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