Speicherung von Wärmeenergie durch Phasenwechsel
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Oberfränkisches Biogas-Fortbildungsseminar<br />
7. Februar 2013 Kloster Banz<br />
D. Brüggemann, F. Rösler<br />
<strong>Speicherung</strong> <strong>von</strong> <strong>Wärmeenergie</strong> <strong>durch</strong><br />
<strong>Phasenwechsel</strong>
2<br />
Universität Bayreuth<br />
Junge Geschichte<br />
• formale Gründung 1972<br />
• Lehrbetrieb seit Wintersemester 1975/76<br />
(600 Studenten)<br />
Heute<br />
• ca. 11500 Studierende<br />
• ca. 1900 Beschäftigte<br />
• ca. 200 Professoren<br />
• 6 Fakultäten<br />
• Mathematik, Physik und Informatik<br />
• Biologie, Chemie und Geowissenschaften<br />
• Rechts- und Wirtschaftswissenschaften<br />
• Sprach- und Literaturwissenschaften<br />
• Kulturwissenschaften<br />
• Angewandte Naturwissenschaften (FAN)<br />
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3<br />
Fakultät für<br />
Angewandte Naturwissenschaften<br />
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4<br />
Vorstellung LTTT<br />
Personal und Partner<br />
• 20 Mitarbeiter<br />
• ca. 25 Diplomanden<br />
und studentische Hilfskräfte<br />
• Gründungsmitglied des Bayreuth<br />
Engine Research Center (BERC)<br />
• Gründungsmitglied des Zentrum<br />
für Energietechnik (ZET)<br />
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5<br />
Vorstellung LTTT<br />
Forschungsschwerpunkte<br />
Prozesse dezentraler Stromerzeugung<br />
(ORC, Kalina, ...)<br />
<strong>Speicherung</strong> thermischer Energie<br />
(Latentwärmespeicher, Hybridspeicher, ...)<br />
Innermotorische Prozesse<br />
(Einspritzung, Gemischbildung, Zündung, ...)<br />
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6<br />
Speichertechnologien<br />
Sensible, latente und thermochemische<br />
Speicher<br />
• Sensible Speicher Aufheizung eines<br />
Speichermaterials<br />
• Thermochemische Desorption <strong>von</strong> Wasser aus<br />
Speicher<br />
porösem Speichermaterial<br />
• Latente Speicher <strong>Phasenwechsel</strong> eines<br />
Speichermaterials<br />
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7<br />
Sensible Speicher<br />
<strong>Speicherung</strong> <strong>durch</strong> Temperaturerhöhung<br />
<strong>Speicherung</strong> thermischer Energie <strong>durch</strong> die Aufheizung eines<br />
Speichermaterials<br />
• Speichermaterial: Wasser, Stein, Salz<br />
• Kapazität: 210 kJ/kg bei Wasser<br />
∆T = 50 K<br />
• Bauformen: Schichtspeicher,<br />
Nachtspeicherofen<br />
• Vorteil: Geringe Kosten<br />
• Nachteil: Geringe Kapazität<br />
Quelle: Heizwerk GmbH<br />
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8<br />
Thermochemische Speicher<br />
<strong>Speicherung</strong> im trockenen<br />
Speichermaterial<br />
<strong>Speicherung</strong> thermischer Energie <strong>durch</strong> die Desorption <strong>von</strong> Feuchtigkeit aus<br />
einem Speichermaterial<br />
• Funktion: Heiße trockene Luft zur Beladung<br />
Kalte feuchte Luft zur Entladung<br />
• Speichermaterial: Zeolith, Aktivkohle<br />
• Kapazität: 700 – 1800 kJ/kg<br />
• Vorteil: Hohe Kapazität<br />
• Nachteil: Hohe Koste<br />
Gasförmige Medien<br />
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9<br />
Latente thermische Speicher<br />
Funktion<br />
<strong>Speicherung</strong> thermischer Energie <strong>durch</strong> den Phasenübergang eines<br />
Speichermaterials<br />
Verdampfen<br />
• Hohe Verdampfungsenthalpie<br />
• Hohe Volumenausdehnung<br />
Schmelzen<br />
• Hohe Schmelzenthalpie<br />
• Geringe Volumenausdehnung<br />
Umstrukturierung des kristallinen Gefüges<br />
• Geringe Speicherkapazität<br />
• Fester Zustand<br />
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10<br />
Latente thermische Speicher<br />
<strong>Phasenwechsel</strong><br />
Schmelzen<br />
Erstarren<br />
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11<br />
Latente thermische Speicher<br />
Hohe Kapazität bei geringer<br />
Temperaturdifferenz<br />
Sensible Speicher<br />
• Wärmekapazität<br />
2 – 4 fache<br />
Speicherkapazität<br />
Latente Speicher<br />
• Wärmekapazität<br />
• Schmelzenthalpie<br />
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12<br />
Latente thermische Speicher<br />
Einteilung der Speichermaterialien<br />
Salzhydrate<br />
• Hohe Schmelzenthalpie<br />
• Segregation<br />
• Unterkühlung<br />
Paraffine<br />
• Geringe Schmelzenthalpie<br />
• Zyklenstabil<br />
Mischungen<br />
• Keine Segregation<br />
• Hohe Schmelzenthalpie<br />
• Zyklenstabil<br />
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13<br />
Latente thermische Speicher<br />
Speichertypen<br />
Vollspeicher Makroverkapselter Direktkontakt-<br />
Speicher<br />
speicher<br />
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14<br />
Latente thermische Speicher<br />
Anwendungsgebiete<br />
Solarthermische Kraftwerke<br />
Gebäudeheizung<br />
Transporte<br />
Kleidung<br />
Kleinanwendungen<br />
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15<br />
Problemstellung<br />
Potenziale zur Nutzung <strong>von</strong> Abwärme sind vielfach noch nicht ausgeschöpft<br />
Hemmnisse für betriebsinterne Abwärmenutzung:<br />
• Möglichkeiten noch nicht vollständig analysiert<br />
und bewertet<br />
• geringer sonstiger Wärmebedarf<br />
• sonstiger Wärmebedarf zeitlich inkongruent<br />
Hemmnisse für leitungsgebundenen Transport zu externen Abnehmern:<br />
• Transportweg zu lang<br />
• keine geeignete Leitungs-Trasse<br />
• Wärmebedarf zeitlich inkongruent<br />
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16<br />
Lösungsansatz<br />
Transport mobiler thermischer Speicher<br />
auf der Straße<br />
• Wärmeversorgung in größerem Umkreis möglich<br />
• Versorger und Abnehmer nicht fix aneinander gebunden<br />
• Speicher als Kurzzeit-Puffer nutzbar<br />
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17<br />
Mobile thermische Speicher<br />
Funktion<br />
• Beladung beim Wärmeanbieter<br />
• Transport auf dem Lastkraftwagen<br />
• Entladung beim Wärmeabnehmer<br />
Schritt<br />
1<br />
Schritt<br />
2<br />
Schritt<br />
3<br />
Beladen<br />
Beladen<br />
Beladen<br />
1<br />
1<br />
3<br />
3<br />
2<br />
Entladen<br />
2<br />
Entladen<br />
1<br />
Entladen<br />
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18<br />
Mobile thermische Speicher<br />
Aufbau und Daten<br />
Wechselbrücken-Container<br />
• Größe in m (L x B x H) ca. 6,0 x 2,4 x 2,4<br />
• Gewicht bis zu 26 t<br />
• Doppelschalige Bauweise mit innen liegender<br />
Isolierung<br />
• Speichermaterial Natriumacetat-Trihydrat<br />
Leistung und Kapazität<br />
• Kapazität 2,0 – 2,5 MWh<br />
(entspricht rund 200 l Heizöl)<br />
• Leistung Beladung 200 – 250 kW<br />
• Leistung Entladung 100 – 150 kW<br />
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Wärmekosten in €/kWh<br />
19<br />
Ökonomische Aspekte<br />
Kostenabschätzung für Wärmetransport mit zwei Speichern<br />
0,20<br />
0,18<br />
0,16<br />
0,14<br />
0,12<br />
150 Zyklen<br />
200 Zyklen<br />
250 Zyklen<br />
300 Zyklen<br />
350 Zyklen<br />
0,10<br />
0,08<br />
0,06<br />
0,04<br />
0,02<br />
0,00<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
Transportentfernung in km<br />
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gC0 2 /kWh<br />
20<br />
Ökologische Aspekte<br />
300<br />
274<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
8<br />
30<br />
Mobile Speicher Fernwärme Eigenerzeugung<br />
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D. Brüggemann, F. Rösler<br />
Oberfränkisches Biogas-Fortbildungsseminar<br />
7. Februar 2013 Kloster Banz<br />
www.lttt.uni-bayreuth.de<br />
Vielen Dank
22<br />
Speichermaterialien<br />
Name Formel Schmelzpunkt<br />
[°C]<br />
Lithiumacetat-Dihydrat LiCH 3 COO∙2H 2 O 70<br />
Aluminiumnitrat-Nonahydrat Al(NO 3 )2∙9H 2 O 72<br />
Harnstoff<br />
Ammoniumbromid<br />
66,6 % NH 2 CONH 2<br />
33,4 % NH 4 Br 76<br />
Bariumhydroxid-Octahydrat Ba(OH)2∙8H2O 78<br />
Lithiumnitrat<br />
Ammoniumnitrat<br />
Natriumnitrat<br />
25,0 % LiNO 3<br />
65,0 % NH 4 NO 3<br />
10,0 % NaNO 3<br />
80,5<br />
Lithiumnitrat<br />
Ammoniumnitrat<br />
Kaliumnitrat<br />
26,4 % LiNO 3<br />
58,7 % NH 4 NO 3<br />
14,9 % KNO 3<br />
81,5<br />
Magnesiumnitrat-Hexahydrat Mg(NO 3 ) 2 ∙6H 2 O 89,9<br />
Aluminiumkaliumsulfat-Dodecahydrat KAl (SO 4 ) 2 ∙12H 2 O 91<br />
Magnesiumchlorid-Hexahydrat MgCl 2 ∙6H 2 O 117<br />
Erythritol C 4 H 10 O 4 118<br />
HDPE - 100-150<br />
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23<br />
EFRE Projekt<br />
• Pilotprojekt zum Ausbau der Nutzung industrieller Abwärme in Oberfranken mittels<br />
mobiler thermischer Speichersysteme“<br />
• EU-Kofinanzierung:<br />
• Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)<br />
• Programm „Regionale Wettbewerbsfähigkeit und Beschäftigung“<br />
• Projektträger: Regierung <strong>von</strong> Oberfranken<br />
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24<br />
Doppelrohr-Latentwärmespeicher<br />
• Durchmesser Wärmeübertragerrohr 15 mm<br />
• Durchmesser Hülle 140 mm<br />
• Länge des Speichers 3 m (variabel)<br />
• Evakuierter Ring<br />
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25<br />
Numerische Modelle<br />
Energieerhaltungsgleichung für Schmelzprozesse<br />
<br />
cvT<br />
t<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
h<br />
T<br />
<br />
t<br />
s<br />
<br />
<br />
uc<br />
T div<br />
grad<br />
T<br />
<br />
u grad<br />
T<br />
<br />
div<br />
v<br />
2<br />
T Tm<br />
<br />
1<br />
<br />
<br />
<br />
1<br />
<br />
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26<br />
Berechnungsmodelle<br />
CARNOT Blockset<br />
für MATLAB Simulink<br />
Speicher in der Anwendung<br />
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27<br />
Makroverkapselter Speicher<br />
• 65 Zylindrische Speicherkapseln 30x190 mm<br />
• Variabler Kapselabstand<br />
• Variable Kapselgeometrie<br />
• Große Wärmeübertragerflächen möglich<br />
13<br />
11<br />
09<br />
07<br />
05<br />
02<br />
01<br />
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28<br />
Makroverkapselter Speicher<br />
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29<br />
Direktkontaktspeicher<br />
• Speichergröße 250x500 mm (19 l PCM)<br />
• Verhältnis Speichermaterial zu Wärmeträgermedium 4:1<br />
• Getrennte Injektions- und Wärmetauscherleitungen<br />
• Evakuierter Ring<br />
Luft<br />
Obere<br />
Endplatte<br />
Injektionsleitu<br />
ng<br />
Wärmeübertragerfluid<br />
Luft<br />
Paraffin<br />
Wärmetauscher<br />
Salzhydrat<br />
Distanzstange<br />
Untere Endplatte<br />
Wasser<br />
Speicher mit<br />
schweres Salzhydrat<br />
Speicher mit<br />
leichtem Paraffin<br />
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30<br />
PCM in Gebäuden<br />
• Dynamische Strahlungsbilanz mit WUFI<br />
Absorptionszahl = const.<br />
Modifikation der Strahlung<br />
Klimadaten<br />
Simulation<br />
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