Abwärmenutzung durch Wärmetransport mit mobilen Sorptionsspeichern Georg Storch, Andreas Hauer ZAE Bayern Technik für Energiesysteme und erneuerbare Energie

Gliederung Grundlagen Mobile Wärmespeicher

Gliederung Grundlagen  Adsorption  Offene Sorptionssysteme  Zeolith  Stationärer Speicher Mobile Wärmespeicher

Motivation Industrielle Abwärme Nutzungshindernisse: Temperaturniveau zeitliche Verfügbarkeit räumliche Trennung Kumulierte prozesstechnische Abwärmeleistung in den Niederlanden. Quelle: Energy Research Centre of the Netherlands

Grundlagen: Adsorption Anlagerung von Wasserdampf an der inneren Oberfläche mikroporöser Materialien Wassermoleküle Wärme Adsorption Desorption Adsorbens Oberfläche

Grundlagen: Offene Sorptionssysteme Wasserdampf / Zeolith Betrieb bei Umgebungsdruck Zeolithpellets in Festbettschüttung Luft als Trägergas für Wärme- und Stofftransport Desorption Laden Entladen Adsorption Luft + Wasser Luft + Wasser Verdampfungs- wärme Kondensations- wärme Zeolith Luft Desorptions- wärme Luft Adsorptions- wärme

Grundlagen: Warum Zeolith?

Moleküldurchmesser H2O: 2.6 Å Grundlagen: Zeolith Alumosilikat-Gerüststruktur (Me+,Me2+0,5)x(AlO2)x(SiO2)y(H2O)z Verschiedene Kationen möglich (häufig Na+,K+,Mg2+,Ca2+,…) Anwendung als Sorbens, Katalysator, Ionenaustauscher Weltjahresproduktion 800 000 t Für Sorptionsanwendungen in offenen Systemen meist als Pellets Zeolith A Porendurchmesser 4 - 5 Å Zeolith X/Y Porendurchmesser 7.4 - 10 Å Moleküldurchmesser H2O: 2.6 Å

Grundlagen: Speicherdichte und Temperaturhub 0.28 Beladung Zeolith Austritt Adsorption 0.2 0.1 Eintritt Adsorption 0.04 0.01 Eintritt Desorption Eintritt Adsorption

Grundlagen: Speicherdichte und Temperaturhub adsorption @15°C, =0.95 desorption @150°C Speicherdichten bis zu 270 kWh/t und Austrittstemperaturen bis zu 200°C erreichbar !

Projekterfahrungen: Stationärer Speicher System Adsorbens 7000 kg Zeolith 13X Tankvolumen 10 m³ Luftstrom 6000 m³/h Therm. Leistung 130 kW (max.) Speicherdichte Q = 124 kWh/m³ (81 % des theor. Werts) Leistungszahl COPth= 0.92 (86 % des theor. Werts)

Gliederung Grundlagen Mobile Wärmespeicher  Grundidee  Konzeptvergleich Zeolith/PCM  Forschungsvorhaben  Wirtschaftlichkeitsanalyse

Mobile Wärmespeicher BHKW Klimatisierung Müllverbrennung Schwimmbäder Nutzer A Nutzer B Lade- station Zeo LKW + Container Zeo Zeo + Nutzer C, D, … BHKW Müllverbrennung Industriebetrieb Klimatisierung Schwimmbäder Trocknung …

Forschungsprojekt: Abwärmenutzung durch mobile Sorptionsspeicher Mobile Wärmespeicher Forschungsprojekt: Abwärmenutzung durch mobile Sorptionsspeicher Laufzeit: Juli 2005 – Juli 2008 Förderung: Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi) Partner: Hydro Aluminium Deutschland GmbH MVA Hamm Betreiber GmbH Tricat Zeolites GmbH Chemiewerke Bad Köstritz CWK GmbH

Wirtschaftlichkeits- Mobile Wärmespeicher Roadmap Wirtschaftlichkeits- rechnung Laborexperimente & Planung Bau Betrieb

Konzept Mobile Sorptions-Speichereinheit Mobile Wärmespeicher Konzept Mobile Sorptions-Speichereinheit Umgebauter Standard-Frachtcontainer. Zeolithvolumen 18,7 m³ Zeolithmasse 15 t Dicke der Schüttung 0,8 m Querschnitt der Schüttung 23,2 m² Max. Luftvolumenstrom 20.000 m³/h

Andere Systeme ? Fragestellung Technologievergleich: PCM Natriumacetat, Schmelzpunkt 58°C PCM PCM Masse 22 t Container Gesamtgewicht 26 t Energieinhalt / Container 2.4 MWh Davon latente Wärme 1.6 MWh typ. Ladeleistung (90/70°C) 250 kW typ. Entladeleistung (38/48°C) 125 kW (25/40°C) 220 kW Energieverluste ca. 10 kWh in 24h Wärmeträger- fluid Wärmetauscher Andere Systeme ?

Typische Kostenstruktur Mobile Wärmespeicher Typische Kostenstruktur

Resultierende Energiekosten Mobile Wärmespeicher Resultierende Energiekosten

Energiefluss-Diagramm Mobile Wärmespeicher Energiefluss-Diagramm Lade- station COP > 9 bezüglich Hilfsenergie ! Abwärme 132% Nutzer Brenn- stoff 105% Nutz- energie 100% Zeo Hilfsenergie, Transport 10.5%

Mobile Wärmespeicher CO2-Emissionen

Zusammenfassung Sorptionsprozesse ermöglichen thermische Energiespeicherung Zeolith bietet hohen Temperaturhub bei guter Speicherdichte und konstanter Leistung Technische Machbarkeit in stationären Anwendungen bereits gezeigt Laufendes Forschungsprojekt zur mobilen Nutzung Zu klärende Fragen: mechanische Stabilität, Desorption mit Abgas Wirtschaftlicher Betrieb möglich Stark abhängig vom Verhältnis Arbeitskosten/Energiepreis

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