Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz in Industrieanwendungen Doerte Laing www.DLR.de • Folie 1 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz
in Industrieanwendungen
Doerte Laing
www.DLR.de • Folie 1 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Hintergrund
- Wärmespeicher sind ein wesentlicher Baustein für die Steigerung der Effizienz energieverfahrenstechnischer Prozesse
=> Schlüsselelement zur Brennstoffeinsparung und zum Klimaschutz
- Wenige Wärmespeicher im Bereich > 100 ºC kommerziell verfügbar => noch zu teuer für breite Anwendung
- Entwicklung fortschrittlicher Konzepte, Komponenten, Verfahren und Systemtechniken zur Wärmespeicherung im Hochtemperaturbereich erforderlich
- Deutlicher Beitrag für die Erreichung der energiepolitischen Ziele der Bundesregierung
www.DLR.de • Folie 2 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Optimiertes Energiemanagement durch Einsatz
Thermischer Energiespeicher
Breites Anforderungsprofil:
- Leistungsbereich von kW bis MW
- Kurzzeitspeicher / Min. bis Std. –
Langzeitspeicher / Tage bis Monate
- Kapazität von wenigen kWh bis GWh
- Temperaturbereich von 0 – 1000 °C
- Diverse Wärmeträgermedien wie:
Wasser, Kältemittel, Öl, Salz, Luft etc.
www.DLR.de • Folie 3 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
GWärmequellen
Wärmeverbraucher
Wärmespeicher
Wärmestrom zum Verbraucher
Abwärme
EIN Speichertyp kann nicht alle Anforderungen abdecken!
Anwendungsbeispiel Elektrostahlwerk (BSW/BSE)
Speicherunterstütze Verstromung von Abwärme
www.DLR.de • Folie 4 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Schmelze
Abgasrohr
Elektroden
Elektrodenhalterung
Lichtbogen
Lan
zen
man
ipu
lato
r
Flüssigsalzspeicher zur Glättung
diskontinuierlicher Abwärmeströme
Quelle: BSE BADISCHE STAHL-ENGINEERING GMBH
Quelle: BSE BADISCHE STAHL-ENGINEERING GMBH
Anwendungsbeispiel Heizkraftwerk
Besicherung Prozessdampfschiene
Grubengas-Heizkraftwerk
Wellesweiler (STEAG)
- 1. EEG-geförderte Anlage im
Saarland, Betrieb seit 2002
- KWK-Anlage:
- Strom 39.500 MWh/a
- Wärme: 62.000 MWh/a
- Strom und Wärme für Industrie-
und Gewerbebetriebe
Latentwärmespeicher zur
Besicherung der Dampfproduktion
www.DLR.de • Folie 5 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Quelle: STEAG New Energies GmbH
Anwendungsbeispiel chemische Industrie
Wärmetransformation durch Abdampfnutzung
www.DLR.de • Folie 6 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
- 1 bar (100 ºC) Abdampf ist
energetisch kaum zu verwerten
Nutzung von thermochemischen
Reaktionen zur
Wärmetransformation
Beladung bei ≈ 120 ºC
Entladung bei ≈ 160 ºC
Ziele
- Übergeordnete Ziele
- Entwicklung fortschrittlicher Wärmespeicher für industrielle
Prozesswärme (100 kW-MW) und Kraftwerkstechnik (1-100 MW)
- Beitrag zur breiten Markteinführung von Wärmespeichertechnologien
- Kernziel heißt Kostensenkung
- DLR Fokus der Entwicklungen
- Materialien mit verbesserten thermophysikalischen Eigenschaften
- Effiziente Lösungen für Wärmetransport und Wärmeein- und –
Auskopplung
- Kostengünstige Auslegungskonzepte
- Optimierte Speicherintegration
- Umsetzung von Lösungen mit deutlichem Potential zur Kostensenkung
www.DLR.de • Folie 7 > Vortrag > Autor • Dokumentname > Datum
Speicherkonzepte
www.DLR.de • Folie 8 > > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Sensible Wärme flüssig fest/flüssig
Latente Wärme Salze fest-flüssig Salze fest-fest
Reaktionswärme Gas-Feststoff-Reaktion Sorption
fest
Speicherkonzepte
Vergleich der Speicherdichten
- Feststoffe und Flüssigkeiten bei Umgebungsdruck
www.DLR.de • Folie 9 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 500 1000 1500 2000
Temperature [°C]
Vo
lum
etr
ic h
ea
t ca
pa
city [
MJ/(
m³K
)]
Water CopperGraphite AluminiumSilicon Sodium chlorideConcrete quartz glassSodium Nitrate Sodium/Potassium nitrate
Solids and liquids at atmospheric pressure
upper ρ∙cp limit
Speicherkonzepte
Vergleich der Speicherdichten
Typische Speicherdichten
- Sensible Speicher 20 – 100 kWh/m³
(abhängig von Temperaturdifferenz)
www.DLR.de • Folie 10 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 500 1000 1500 2000
Temperature [°C]
Volu
metr
ic h
eat
capacity [
MJ/(
m³K
)]
Water CopperGraphite AluminiumSilicon Sodium chlorideConcrete quartz glassSodium Nitrate Sodium/Potassium nitrate
Solids and liquids at atmospheric pressure
upper ρ∙cp limit
Feststoffe und Flüssigkeiten bei Umgebungsdruck
Speicherkonzepte
Vergleich der Speicherdichten
www.DLR.de • Folie 11 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
- Phasenwechselmaterialien
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
thalp
y[J
/g]
KNO3
NaNO3
NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
thalp
y[J
/g]
KNO3
NaNO3
NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
Speicherkonzepte
Vergleich der Speicherdichten
Typische Speicherdichten
- Sensible Speicher 20 – 100 kWh/m³
(abhängig von Temperaturdifferenz)
- Latentwärmespeicher 50 – 150 kWh/m³
(bei minimaler Temperaturdifferenz)
www.DLR.de • Folie 12 > > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 500 1000 1500 2000
Temperature [°C]
Volu
metr
ic h
eat
capacity [
MJ/(
m³K
)]
Water CopperGraphite AluminiumSilicon Sodium chlorideConcrete quartz glassSodium Nitrate Sodium/Potassium nitrate
Solids and liquids at atmospheric pressure
upper ρ∙cp limit
Feststoffe und Flüssigkeiten bei Umgebungsdruck
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
tha
lpy
[J/g
]
KNO3
NaNO3
NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
tha
lpy
[J/g
]
KNO3
NaNO3
NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
Speicherkonzepte
Vergleich der Speicherdichten
www.DLR.de • Folie 13 > > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
- Thermochemische Speicher
Reaktion TG[1 bar]
°C
ΔH [1 bar]
kJ/mol
Kapazität *
kWh/m3
Mg(OH)2/MgO
Ca(OH)2/CaO
268
521
78
99
323
330
MgCO3/MgO
CaCO3/CaO
BaCO3/BaO
307
896
1497
99
167
212
70 (238)
113 (348)
139 (417)
* Dichte von CO2 bei 50 bar (57,3 bar, flüssig),
Packungsdichte des Feststoffs = 0.5 *Feststoffdichte
Speicherkonzepte
Vergleich der Speicherdichten
Typische Speicherdichten
- Sensible Speicher 20 – 100 kWh/m³
(abhängig von Temperaturdifferenz)
- Latentwärmespeicher 50 – 150 kWh/m³
(bei minimaler Temperaturdifferenz)
- Thermochemische Speicher
100 – 400 kWh/m³ (abhängig von
treibendem Gefälle (Druck/Temperatur))
www.DLR.de • Folie 14 > > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 500 1000 1500 2000
Temperature [°C]
Volu
metr
ic h
eat
capacity [
MJ/(
m³K
)]
Water CopperGraphite AluminiumSilicon Sodium chlorideConcrete quartz glassSodium Nitrate Sodium/Potassium nitrate
Solids and liquids at atmospheric pressure
upper ρ∙cp limit
Feststoffe und Flüssigkeiten bei Umgebungsdruck
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
tha
lpy
[J/g
]
KNO3
NaNO3
NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
tha
lpy
[J/g
]
KNO3
NaNO3
NaNO2
KNO3-NaNO3
LiNO3-NaNO3
KNO3-LiNO3
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3
Speicherkonzepte
Vergleich der Speicherdichten
Typische Speicherdichten
- Sensible Speicher 20 – 100 kWh/m³
(abhängig von Temperaturdifferenz)
- Latentwärmespeicher 50 – 150 kWh/m³
(bei minimaler Temperaturdifferenz)
- Thermochemische Speicher
100 – 400 kWh/m³ (abhängig von
treibendem Gefälle (Druck/Temperatur))
www.DLR.de • Folie 15 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Energiedichte Entwicklungs-
[kWh/m3] stand
gering hoch
hoch gering
spez. Entropie
Tem
pera
tur
Latentspeicher sensiblerSpeicher
sensiblerSpeicher
water wet steam superheated
steam
Latentwärmespeicher
Anwendung
www.DLR.de • Folie 16 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Arbeitsmedium Wasser/Dampf
=> Verdampfung (T=konst)
spez. EntropieTe
mpe
ratu
r
Latentspeicher sensiblerSpeicher
sensiblerSpeichersensible
solid latent
heat
sensible liquid
Wesentlicher Vorteil: Temperaturkonstanz der Phasenwechsel
=> Prozessdampf
Latentspeichermaterial
=> Schmelzbereich (T=konst)
Latentwärmespeicher
Auswahl der Latentspeichermaterialien
www.DLR.de • Folie 17 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
0
50
100
150
200
250
300
350
400
100 150 200 250 300 350
Temperature [°C]
En
tha
lpy [
J/g
]
NaNO3NaNO2
KNO3-NaNO2-NaNO3
LiNO3-NaNO3
LiNO3
KNO3-NaNO3
H2O Pressure [bar]
KNO3
KNO3-LiNO3
1 2 5 10 20 40 50 100 150
Latentwärmespeicher
Design Konzepte
www.DLR.de • Folie 18 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Aluminiumrippen quer
Aluminiumrippen längs
solid
liquid
Fluid
Latentwärmespeicher
Stand der Entwicklung
- Beripptes Rohrkonzept demonstriert
- Graphitrippen / horizontale Rohre
=> begrenzt auf <250 ºC
- Aluminumrippen radial / vertikale Rohre
- Aluminiumrippen extrudiert / vertikale
Rohre
- 5 Testmodule mit 140 - 2000 kg PCM
- Vier Salz-Systeme demonstriert
- NaNO3 - KNO3 - NaNO2 142 ºC
- LiNO3 - NaNO3 194 ºC
- NaNO3 - KNO3 222 ºC
- NaNO3 305 ºC
www.DLR.de • Folie 19 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Latentwärmespeicher
Demonstration für Kraftwerkseinsatz
- Weltweit größter Hochtemperatur-
Latentwärmespeicher mit 14 Tonnen NaNO3
(700 kWh) in 2010/2011 erfolgreich getestet
(2949 h, 95 Zyklen)
www.DLR.de • Folie 20 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012
Wärmespeichertechnologien
Zusammenfassung
- Energiespeicherung ist Schlüsselthema für zukünftige nachhaltige
Energieversorgung
- Wärmespeicher sind zentrales Element für verbesserte Effizienz und
effektives Wärmemanagement in der Prozessindustrie
- Wenige thermische Hochtemperatur-Speicher sind kommerziell verfügbar
=> noch zu teuer für breite Anwendung
- Verstärkte Anstrengungen zur Entwicklung eines breiten Portfolios an
Speichertechnologien und Speichermaterialien erforderlich
www.DLR.de • Folie 21 > ESS 2012 > Doerte Laing • Wärmespeichertechnologien für Energieeffizienz > 07.03.2012