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Thermische EnergiespeicherThermische EnergiespeicherPotential, Anwendungen und Technik
Rainer TammeDLR – Institut für Technische Thermodynamik
Folie 1 >
Dechema -Jahrestagung 2011, Frankfurt, 01.12.2011
Argumente für Speichertechnik IVerminderter Einsatz fossiler Brennstoffe für:
Kli h t V i h h it K t kKlimaschutz, Versorgungssicherheit, KostensenkungZiel nationaler und europäischer Energiepolitik
Energieeffizienz und Energiebereitstellung aus RES signifikant steigern
Zukünftige Stromerzeugung ?Zukünftige Wärmeversorgung ?
BMU Studie Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland“ DLR ifeu WI 2004
Folie 2 > Thermische Energiespeicher; ProcessNet-Jahrestagung 2010, Aachen, 22.09.2010> Rainer Tamme
BMU Studie „Ökologisch optimierter Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien in Deutschland DLR, ifeu, WI 2004
Herausforderung Thermische EnergiespeicherBreiter Temperaturbereich und Anforderungsprofil
Leistungsbereich von kW bis MW gKurzzeitspeicher – Minuten bis Stunden – Langzeitspeicher – Tage bis Monate Kapazität von wenigen kWh bis GWhTemperaturbereich von 0 – 1000 C
ä ä ä Ö S f
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Diverse Wärmeträgermedien wie: Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc.
Wärmespeicher für solare KlimatisierungAktive Solar Systeme
Ausgleich von Energieangebot und BedarfSaisonaler Ausgleich von Sommerüberschuss gund Winterbedarf
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Source: Univ. Stuttgart - ITW
T l i d i l Wä i hTypologie der saisonalen WärmespeicherErdbecken-Wärmespeicher
(40 bi 60 kWh/ ³)Heißwasser-Wärmespeicher
(40 bi 60 kWh/ ³) (40 bis 60 kWh/m³)(40 bis 60 kWh/m³)
Erdsonden-Wärmespeicher Aquifer-Wärmespeicher(30 bis 40 kWh/m³)(15 bis 30 kWh/m³) ( )( )
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Latentwärmespeicher für GebäudetechnikKonzepte zur Verminderung von Heiz- und Kühlleistung durch Temperaturglättung
Kommerzielles Produkt (BASF Micronal®) mit organischen Latentmaterialien Anwendung in Baustoffen zum Temperaturausgleich/verbesserte Wärmedämmungals Pulver oder fließfähige „Slurry“
Baustoffsortiment:
BASF
ParaffinGipsplatten und -dielen Putze (Gips, zementär, lehmbasiert)RasterdeckeneinlegerBASF RasterdeckeneinlegerPUR-BeschichtungenAktivierbare BauteilePCM Sl tPCM-Slurry, etc.
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Endenergieverbrauch 2006 in PJ• Industrie benötigt ca. 30%
Wärmespeichertechnik für industrielle Prozesse3000 g
Endenergie in Deutschland• Bedarf an Prozesswärme dominiert
2000
2500
Beleuchtung • 4 Sektoren benötigen ca 50% des
500
1000
1500 mech. EnergieRaumwärmeProzesswärme
Technisches Energieeinsparpotenzial in der Industrie
4 Sektoren benötigen ca. 50% desEnergieverbrauchs
0
500
Industrie Verkehr priv.Haushalte
GHD
g p p
• 25% Einsparung des Energieverbrauchs imindustriellen Bereich bis2030 angestrebt
• Schlüsselelement ist verbesserteSchlüsselelement ist verbesserteWärmebereitstellung und Wärmemanagement
• gefolgt von effizienteren und innovativenVerfahren
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Struktur des industriellen WärmebedarfsWärmebedarf bekannt – Abwärmeparameter quantitativ nicht erfasst
Wärmebedarf T < 100 °C Wärmebedarf 100 °C < T < 300 °C Wärmebedarf T > 400 °C
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Wärmebedarf T < 100 C Wärmebedarf 100 C T 300 C Wärmebedarf T 400 C
Speicherung von nicht genutzter Abwärme –
Wärmespeicher in der industriellen Prozesstechnik
Speicherung von nicht genutzter Abwärme Brennstoffeinsparung
Rückeinspeisung in thermischen ProzessNotwenig bei Batch Prozessen
Verstromung nicht genutzter AbwärmeStromeinsparung
Speicher nterstü te Verstrom ng ind strieller Ab ärme
Werkzeug für effizientes Wärmemanagement –
Speicherunterstüzte Verstromung industrieller Abwärme(z.B. ORC Prozess)
g gErhöhung der Energieeffizienz
Bereitstellung von LastspitzenErsatz von Anlagenkomponenten für Spitzenlast
Unterstützung solar-thermischer Prozesswärme BereitstellungVermehrter Einsatz EE
Ermöglicht bedarfsgerechte bzw. kontinuierliche Prozessführung
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g g gErhöht Solaranteil bzw. vermeidet fossile Zusatzheizung
Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen
• Entkopplung vonStrom und Wärmeerzeugung
• KWK Anlage stromgeführt betreiben• Wärmeverbrauch über Speicher entkoppeln• Wärmebereitstellung auf unterschiedlichem
Leistungs-, Zeit- und Temperaturniveau
Wärmeverbraucher
Variable LeistungCHP
Variable Zeit
Variable
TES
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Variable Temperatur
Hochtemperatur Speicher für Kraftwerkstechnik
Erhöhung der FlexibilitätSpitzenlastbereitstellung KWK
Wärme-speicher
GG
G
G
PelPelPelPel
Hochtemperatur Speicher für Adiabates Druckspeicherkraftwerk
Q&Q& Wärmespeicher
ExpansionsturbineVerdichterstrang
für Adiabates Druckspeicherkraftwerk
Spezifikation Wärmespeicher400 – 600 °C
möglichst geringe Zwischenkühlung möglichst geringe Zwischenkühlung
p
B l d d S i h E tl d d S i hKaverne
400 600 C60 – 100 bar500 – 1000 MWhth
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Beladung des Speichers Entladung des Speichers
Beispiellayout für adiabate Druckluftspeicherkraftwerk
Hochtemperatur Speicher für Solartechnik
Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerkep
ren
DampfkreislaufSpeichersystem
ren
DampfkreislaufSpeichersystem
olar
kolle
ktor
olar
kolle
ktor
SoSo
Wärmespeicher für solare ProzesswärmeWärmespeicher für solare Prozesswärme
Wärmespeicher für dezentrale KWK AnlagenCPC C ll t F l K ll kt T h K ll kt
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dezentrale KWK AnlagenCPC Collector Fresnel Kollektor Trough Kollektor
Speicherkonzepte
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Schwerpunkte für Speicherauslegung
Kernziel heißt effiziente und wirtschaftliche Lösungen
Speichermedium Wärmeübertragung
Kernziel heißt effiziente und wirtschaftliche Lösungen
Wärmeleitfähigkeitspez. WärmekapazitätDichte
Geometrie, Abmessungen und Anordnung DruckverlusteKapazität Leistung
therm. Ausdehnungs-koeffizientLangzeitstabilität
Lade/Entladeleistung Fertigungsaspekte und Kosten
g
BetriebsstrategieSystemsintegrationRegelungsaspekte
Systemintegration
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Speicher fühlbarer Wärme - Sensible Wärmespeicher
Bevorzugte Anwendungsbegiete:- Einphasige Wärmeträgerfluide (Wasser, Öl, Flüssig Salz, Luft, etc.)
N t d Wä t ä fl id l S i h di (Di kt S i h )- Nutzung des Wärmeträgerfluids als Speichermedium (Direkte Speicherung)- Große Temperaturspreizung zwischen Laden und Entladen
Liquid materialsmolten salt HTF+ storage
di
HTF oil/steamsolid material/concrete
i di
HTF airSolid materials/
i di
HTF airsmall particles
didirect indirect ceramics - direct direct
packed bed configuration
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Molten Salt Storage 2nd Generation Pilot StorageMoving bed heat exchanger
Anwendungsgebiete für SchüttspeicherRelevante Beispiele
Storage for Solar Tower Plants with Air Receiver
KWKStorage for Adiabatic
Compressed Air Power PlantsGG
G
Wärme-speicherLarge scale CHP Plants
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G
Direktdurchströmte Feststoff-Speicher mit Partikel-Schüttung
Aktuelle Entwicklungen – Sensible Speicher
p gDirektkontakt zwischen HTF und dem SeichermediumGeeignet für hohe Temperaturen, vielfältige Speicheroptionen
sym
met
ric a
xis 9 m
5 m
1 m
Speichermasse 18000t, Massenstrom 500kg/s, Beladetemp. 650°C, Entladetemperatur 20°C. Gespeicherte Energie bis zu einem Temperaturabfall auf 90%:
Entladekurve für Speicher mit gleicher Speichermasse
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p g paV 30m2/m3 = 1,3GWh; aV 150m2/m3 = 2,5GWh; aV 1000m2/m3 = 2,9GWh
Direktdurchströmte Feststoff-Speicher mit Partikel-Schüttung
HerausforderungHerausforderungThermomechanik - Spannungsarmer SpeicheraufbauWärmetechnische Auslegung - Erfüllung von Kosten + Effizienz ZielenStrömungsmechanikg
HOTREG Testanlagezur Verifizierung von Entwurfskonzepten
Spannungsverteilung in Partikelschüttung
(DEM Methode) Entwurfskonzepten
Laboranlage fürthermomechanische
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thermomechanische Untersuchungen
Aktuelle Entwicklungen – LatentwärmespeicherNitratsalze als PCM s für 100-350 CPräferenz für PCM bei kleinem ∆T oder in Verbindung mit Wasser/Dampf Systemen
300
350
400LiNO3
300
350
400LiNO3
200
250
halp
y[J
/g]
NaNO3NaNO2
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3200
250
halp
y[J
/g]
NaNO3NaNO2
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3ture
50
100
150
Enth
KNO3KNO3-NaNO3KNO3-NaNO2-NaNO3
50
100
150
Enth
KNO3KNO3-NaNO3KNO3-NaNO2-NaNO3
spec. enthalpy
tem
pera
t
solid phaseliquid phase
two phasesolid / liquid
0100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
0100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]Industrielle
Prozess WärmeKraftwerks-
technik
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Prozess Wärme technik
14000 k PCMAktueller Status von PCM Speichern >100 °C 14000 kg PCMNaNO3; Tm = 305°C
Vom kW zum MW Maßstab
DISTOR storage
Vom kW zum MW Maßstab
2000 kg PCMK/NaNO3, ,
Tm = 220°CPSA, Spain
NaNO3 storageCarboneras, Spain
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1) national BMWi Project 2) FP 6 Project 3) national BMU Project
Zusammenfassung I
Thermische Energiespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz undThermische Energiespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und effektives Wärmemanagement im Bereich thermischer Prozesse für Stromerzeugung und Industrieanwendungen
Thermische Speicher sind unabdingbar für solarthermische AnwendungenThermische Speicher sind unabdingbar für solarthermische Anwendungen
Wenige Thermische Speicher im Bereich > 100 C sind kommerziell verfügbar ….. Aber noch zu teuer für breite Anwendung
Aktuelle Entwicklungen finden erste Nischenanwendungen im Bereich Thermomanagement von Industrieprozessen (100 kW-MW Bereich) und Kraftwerkstechnik (1-100 MW)( )
Verstärkte Forschung für Kostensenkung: - Materialien mit verbesserten thermophysikalischen Eigenschaften
effiziente Lösungen für Wärmetransport und Wärmeein und Auskopplung- effiziente Lösungen für Wärmetransport und Wärmeein- und –Auskopplung - kostengünstige Speicher/Reaktor-Auslegungskonzepte- effiziente SpeicherintegrationEs gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher für alle Anwendungen
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Es gibt nicht den EINEN Typ Wärmespeicher für alle Anwendungen
Dankefür Ihre Aufmerksamkeit
[email protected] http://www.dlr.de/tt/
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