Speicherung von Wärmeenergie durch Phasenwechsel

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Speicherung von Wärmeenergie durch Phasenwechsel

Oberfränkisches Biogas-Fortbildungsseminar

7. Februar 2013 Kloster Banz

D. Brüggemann, F. Rösler

Speicherung von Wärmeenergie durch

Phasenwechsel


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Universität Bayreuth

Junge Geschichte

• formale Gründung 1972

• Lehrbetrieb seit Wintersemester 1975/76

(600 Studenten)

Heute

• ca. 11500 Studierende

• ca. 1900 Beschäftigte

• ca. 200 Professoren

• 6 Fakultäten

• Mathematik, Physik und Informatik

• Biologie, Chemie und Geowissenschaften

• Rechts- und Wirtschaftswissenschaften

• Sprach- und Literaturwissenschaften

• Kulturwissenschaften

• Angewandte Naturwissenschaften (FAN)

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Fakultät für

Angewandte Naturwissenschaften

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Vorstellung LTTT

Personal und Partner

• 20 Mitarbeiter

• ca. 25 Diplomanden

und studentische Hilfskräfte

• Gründungsmitglied des Bayreuth

Engine Research Center (BERC)

• Gründungsmitglied des Zentrum

für Energietechnik (ZET)

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Vorstellung LTTT

Forschungsschwerpunkte

Prozesse dezentraler Stromerzeugung

(ORC, Kalina, ...)

Speicherung thermischer Energie

(Latentwärmespeicher, Hybridspeicher, ...)

Innermotorische Prozesse

(Einspritzung, Gemischbildung, Zündung, ...)

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Speichertechnologien

Sensible, latente und thermochemische

Speicher

• Sensible Speicher Aufheizung eines

Speichermaterials

• Thermochemische Desorption von Wasser aus

Speicher

porösem Speichermaterial

• Latente Speicher Phasenwechsel eines

Speichermaterials

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Sensible Speicher

Speicherung durch Temperaturerhöhung

Speicherung thermischer Energie durch die Aufheizung eines

Speichermaterials

• Speichermaterial: Wasser, Stein, Salz

• Kapazität: 210 kJ/kg bei Wasser

∆T = 50 K

• Bauformen: Schichtspeicher,

Nachtspeicherofen

• Vorteil: Geringe Kosten

• Nachteil: Geringe Kapazität

Quelle: Heizwerk GmbH

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Thermochemische Speicher

Speicherung im trockenen

Speichermaterial

Speicherung thermischer Energie durch die Desorption von Feuchtigkeit aus

einem Speichermaterial

• Funktion: Heiße trockene Luft zur Beladung

Kalte feuchte Luft zur Entladung

• Speichermaterial: Zeolith, Aktivkohle

• Kapazität: 700 – 1800 kJ/kg

• Vorteil: Hohe Kapazität

• Nachteil: Hohe Koste

Gasförmige Medien

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Latente thermische Speicher

Funktion

Speicherung thermischer Energie durch den Phasenübergang eines

Speichermaterials

Verdampfen

• Hohe Verdampfungsenthalpie

• Hohe Volumenausdehnung

Schmelzen

• Hohe Schmelzenthalpie

• Geringe Volumenausdehnung

Umstrukturierung des kristallinen Gefüges

• Geringe Speicherkapazität

• Fester Zustand

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Latente thermische Speicher

Phasenwechsel

Schmelzen

Erstarren

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Latente thermische Speicher

Hohe Kapazität bei geringer

Temperaturdifferenz

Sensible Speicher

• Wärmekapazität

2 – 4 fache

Speicherkapazität

Latente Speicher

• Wärmekapazität

• Schmelzenthalpie

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Latente thermische Speicher

Einteilung der Speichermaterialien

Salzhydrate

• Hohe Schmelzenthalpie

• Segregation

• Unterkühlung

Paraffine

• Geringe Schmelzenthalpie

• Zyklenstabil

Mischungen

• Keine Segregation

• Hohe Schmelzenthalpie

• Zyklenstabil

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Latente thermische Speicher

Speichertypen

Vollspeicher Makroverkapselter Direktkontakt-

Speicher

speicher

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Latente thermische Speicher

Anwendungsgebiete

Solarthermische Kraftwerke

Gebäudeheizung

Transporte

Kleidung

Kleinanwendungen

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Problemstellung

Potenziale zur Nutzung von Abwärme sind vielfach noch nicht ausgeschöpft

Hemmnisse für betriebsinterne Abwärmenutzung:

• Möglichkeiten noch nicht vollständig analysiert

und bewertet

• geringer sonstiger Wärmebedarf

• sonstiger Wärmebedarf zeitlich inkongruent

Hemmnisse für leitungsgebundenen Transport zu externen Abnehmern:

• Transportweg zu lang

• keine geeignete Leitungs-Trasse

• Wärmebedarf zeitlich inkongruent

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Lösungsansatz

Transport mobiler thermischer Speicher

auf der Straße

• Wärmeversorgung in größerem Umkreis möglich

• Versorger und Abnehmer nicht fix aneinander gebunden

• Speicher als Kurzzeit-Puffer nutzbar

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Mobile thermische Speicher

Funktion

• Beladung beim Wärmeanbieter

• Transport auf dem Lastkraftwagen

• Entladung beim Wärmeabnehmer

Schritt

1

Schritt

2

Schritt

3

Beladen

Beladen

Beladen

1

1

3

3

2

Entladen

2

Entladen

1

Entladen

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Mobile thermische Speicher

Aufbau und Daten

Wechselbrücken-Container

• Größe in m (L x B x H) ca. 6,0 x 2,4 x 2,4

• Gewicht bis zu 26 t

• Doppelschalige Bauweise mit innen liegender

Isolierung

• Speichermaterial Natriumacetat-Trihydrat

Leistung und Kapazität

• Kapazität 2,0 – 2,5 MWh

(entspricht rund 200 l Heizöl)

• Leistung Beladung 200 – 250 kW

• Leistung Entladung 100 – 150 kW

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Wärmekosten in €/kWh

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Ökonomische Aspekte

Kostenabschätzung für Wärmetransport mit zwei Speichern

0,20

0,18

0,16

0,14

0,12

150 Zyklen

200 Zyklen

250 Zyklen

300 Zyklen

350 Zyklen

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02

0,00

0 5 10 15 20 25 30

Transportentfernung in km

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gC0 2 /kWh

20

Ökologische Aspekte

300

274

250

200

150

100

50

0

8

30

Mobile Speicher Fernwärme Eigenerzeugung

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Oberfränkisches Biogas-Fortbildungsseminar

7. Februar 2013 Kloster Banz

www.lttt.uni-bayreuth.de

Vielen Dank


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Speichermaterialien

Name Formel Schmelzpunkt

[°C]

Lithiumacetat-Dihydrat LiCH 3 COO∙2H 2 O 70

Aluminiumnitrat-Nonahydrat Al(NO 3 )2∙9H 2 O 72

Harnstoff

Ammoniumbromid

66,6 % NH 2 CONH 2

33,4 % NH 4 Br 76

Bariumhydroxid-Octahydrat Ba(OH)2∙8H2O 78

Lithiumnitrat

Ammoniumnitrat

Natriumnitrat

25,0 % LiNO 3

65,0 % NH 4 NO 3

10,0 % NaNO 3

80,5

Lithiumnitrat

Ammoniumnitrat

Kaliumnitrat

26,4 % LiNO 3

58,7 % NH 4 NO 3

14,9 % KNO 3

81,5

Magnesiumnitrat-Hexahydrat Mg(NO 3 ) 2 ∙6H 2 O 89,9

Aluminiumkaliumsulfat-Dodecahydrat KAl (SO 4 ) 2 ∙12H 2 O 91

Magnesiumchlorid-Hexahydrat MgCl 2 ∙6H 2 O 117

Erythritol C 4 H 10 O 4 118

HDPE - 100-150

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EFRE Projekt

• Pilotprojekt zum Ausbau der Nutzung industrieller Abwärme in Oberfranken mittels

mobiler thermischer Speichersysteme“

• EU-Kofinanzierung:

• Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

• Programm „Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung“

• Projektträger: Regierung von Oberfranken

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Doppelrohr-Latentwärmespeicher

• Durchmesser Wärmeübertragerrohr 15 mm

• Durchmesser Hülle 140 mm

• Länge des Speichers 3 m (variabel)

• Evakuierter Ring

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Numerische Modelle

Energieerhaltungsgleichung für Schmelzprozesse


cvT

t





h

T


t

s



uc

T div

grad

T


u grad

T


div

v

2

T Tm


1




1


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Berechnungsmodelle

CARNOT Blockset

für MATLAB Simulink

Speicher in der Anwendung

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Makroverkapselter Speicher

• 65 Zylindrische Speicherkapseln 30x190 mm

• Variabler Kapselabstand

• Variable Kapselgeometrie

• Große Wärmeübertragerflächen möglich

13

11

09

07

05

02

01

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Makroverkapselter Speicher

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Direktkontaktspeicher

• Speichergröße 250x500 mm (19 l PCM)

• Verhältnis Speichermaterial zu Wärmeträgermedium 4:1

• Getrennte Injektions- und Wärmetauscherleitungen

• Evakuierter Ring

Luft

Obere

Endplatte

Injektionsleitu

ng

Wärmeübertragerfluid

Luft

Paraffin

Wärmetauscher

Salzhydrat

Distanzstange

Untere Endplatte

Wasser

Speicher mit

schweres Salzhydrat

Speicher mit

leichtem Paraffin

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PCM in Gebäuden

• Dynamische Strahlungsbilanz mit WUFI

Absorptionszahl = const.

Modifikation der Strahlung

Klimadaten

Simulation

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