PCM-Speicher für industrielle AnwendungenChristoph Zauner
Wien, 23.10. 2014
+43 (0) 664 82 511 46
Quelle: FhG-ISI, DLR
Übersicht über den Wärmebedarf verschiedener Industriezweige
Quelle: AEE INTEC
Wärmebedarf in der Industrie
Wärmebedarf in einer Fleischerei
Quelle: www.gewerbegas-online.de
Prozesse in der Fleischwarenherstellung
� Minuten / Stunden Schwankungen
� Tag / Nacht Schwankung
� Wochenende
� Längere Stillstände (Betriebsurlaub, Wartung)
Speicher zur Erhöhung der Energieeffizienz
Spitzenlastglättung mittels Speicher
� Effizienterer Kesselbetrieb
� Kleinerer Kessel möglich
� Ersatz Spitzenlastkessel� Kosten- undCO2-Ersparnis
Quelle: KPC
� Abwärme fällt in verschiedenen Prozessen zeitlich variabel an
� Mit Speichern kann die Diskrepanz zwischen Abwärmeangebot und benötigter Prozesswärme ausgeglichen werden
Speicher für solare Prozesswärme
Erhöhung des solaren Deckungsgrades
Speicherentladung
Solarwärmeangebot
Lastkurve
Speicherbeladung
Quelle: AEE INTEC
� Solarthermische Kollektoren können Luft, Wasser, Öl, Dampf bis mind. 400°C erwärmen
� Bisher meist sensible Speicher
� Einstrahlung in Österreich ca.1000 W/m2 an sonnigen Tagen
� Etwa 1000 kWh/m2
pro Jahr
Prinzip des Latentwärmespeichers
Energiespeicherung mittels Phasenwechselmaterialien (PCMs)
Latente Wärme beim Phasenübergangz.B. Schmelzen / Kristallisieren
� Hohe Phasenwechselenthalphie
� Enges Temperaturintervall
� Speicherdichte höher als bei sensibler Speicherung
Übersicht PCMs
� Energiedichte
� Langzeitbeständigkeit
� Verfügbarkeit
� Preis
Quelle: ZAE Bayern
� Umweltverträglichkeit
� Handling
� Verarbeitbarkeit
� Materialverträglichkeit
Quelle: Ge et al., Ren. And Sust. Energy 21 (2013)
Neue Entwicklungen an AIT und Montanuniversität Leoben
Projekt „StoreITup!“:
50 Polymere untersuchtund charakterisiert:
� 6 potentiell geeignete Materialklassen gefunden
� Zyklenstabilität getestet
� Rheologie untersucht
� Handling getestet
Rezyklate
Rohpolymere und Compounds
Formstabile Polymere Langzeitstabilität
Wärmeübertrager für Latentwärmespeicher
� Wärme muss effizient auf das PCM übertragen werden
� PCM - Wärmeleitfähigkeit oft limitierend
� Wärmeträgermedien: Heißwasser, Thermoöl, Dampf
Quelle: Fraunhofer ISE
� Test neuer Wärmeleitstrukturen
� Evaluierung verschiedener Kombinationen vonPCMs und Wärmeübertragern
� Speichersimulation undAbleitung von Auslegungsregeln
� Design, Bau und Charakterisierung von Prototypen im Labormaßstab(Thermoölprüfstand bis 350 °C / 50 kW)
Arbeiten am AIT zur Entwicklung neuer PCM-Speicher
Speicherentwicklung und Vermessung
� Natriumnitratspeicher (1400 kg)
� Prüfstand bis 380°C / 280 kW� Simulation der Schmelzvorgänge
Wärmeübertragerentwicklung
� Bimetallrippenrohre
� Bis 400°C in PCM-Speichern� CAD, FE-Simulation
� Langzeittests bei 280 - 340°C
Arbeiten an der TU Wien zu PCM-Speichern
Quelle: DLR
� Porenbetonherstellung (Xella)
� Isotherme Dampfspeicherung mit zwei PCM Speichern(Eutektische Salzmischungen ausKNO3, NaNO3, LiNO3, NaNO2)
� Anteil des Frischdampfes um 40% pro Zyklus reduzierbar
PCM-Speicher in der Baustoffindustrie
� Verstromung von diskontinuierlicher Abwärmeam Beispiel eines Zementwerks
PCM-Speicher für die Stromerzeugung
Quelle: DLR
Quelle: DLRQuelle: TU Wien
TU Wien K1-Projekt Green Storage Grid:
� Neue thermische, chemische, hydraulische Energiespeicher für den Einsatz in Kraftwerken und Verteilnetzen
DLR:
� 14 Tonnen NaNO3
� Speichkapazität 700 kWh
� Schmelzpunkt 305°C
Quelle: Gil et al., Int. J. of Refrigeration 39 (2014)
� 5000 kg SpeicherSevilla, Spanien
� PCM: HydrochinonSchmelzpunkt 170 °CEnthalpie 235 kJ/kg
PCM-Speicher für Kühlung
Quelle: Fan et al., Solar Energy 110 (2014)
Quelle: Fraunhofer UMSICHT
Bsp. Fraunhofer UMSICHT:
� 20 Fuß (6 x 2.3 x 2.4 m3) Container
� 25 000 kg
� Speicherkapazität 2 MWh
� Beladeleistung 200 kW
� Entladeleistung 100 kW
� Betriebstemperaturen 35 – 95 °C� PCM:
Natriumacetat-TrihydratSchmelzpunkt 58 °C
� Wirtschaftlichkeit hängt u. a. vom Transportweg ab
Projekt in Österreich:
„Latentwärmespeicher für trassenloseWärmeerzeugung“, A. Hofmann, 2007
Analyse div. Anbieter und Anwendungsszenarien
Mobile PCM-Speicher
Quelle: KTG Energie (vorm. Latherm)
� Günstigere, leistungsfähigere PCMs mit hoher Zyklenstabilität
� Günstigere, großtechnisch fertigbare, leistungsfähige Wärmeübertrager
� Günstigere Speicherkonzepte
� Planungswerkzeuge mit denen Industrieanlagen mit PCM – Speichern berechnet werden können
� Erfahrungen bei der Einbindung der Speicher in reale Prozesse durch mehr Demonstrationsanlagen
Notwendige Entwicklungsschritte