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Ziel des Projekts TESIN ist die Steigerung der Energieeffizienz in der Industrie und im Versorgungsbereich durch den Einsatz thermischer Energiespeicher zu steigern. Konkret wurden bei den Badischen Stahlwerken in Kehl durch die Analyse der Energieströme verschiedene Integrationsmöglichkeiten von Energiespeichern analysiert, ein Referenzkonzept definiert und das Marktpotenzial untersucht. Dazu identifizierten die Wissenschaftler das Marktpotenzial für die Speicherintegration in Heizkraftwerken der STEAG New Energies GmbH (SNE) in Deutschland.

  • Luftaufnahme des saarländischen Heizkraftwerks Wellesweiler: Die Fotomontage zeigt rechts den Speicher inklusive Details zur Auslegung. © F. W. Brökelmann GmbH & Co. KG
  • Simulation der Speicherintegration eines Zwei-Tank Flüssigsalzspeichers mit einem Clausius-Rankine Prozeß in einem Elektrostahlwerk © DLR
  • Geografische Darstellung der untersuchten SNE-Anlagen © STEAG New Energies GmbH
  • Die schematische Darstellung zeigt die Integration des Latentwärmespeichers im Heizkraftwerk der STEAG New Energies. © DLR
  • Die Hochleistungsrippe für den TESIN-Speicher aus Aluminium im Strangpress-Verfahren gefertigt und mit Federstahlclips montiert. © F. W. Brökelmann GmbH & Co. KG
  • Die Abbildung zeigt den latentwärmespeicher während des Baus. © DLR

Die Wissenschaftler entwickeln einen Forschungsspeicher, der im Heizkraftwerk Wellesweiler im Saarland in einen laufenden Besicherungsprozess integriert wird und nach einem ausgiebigen Testprogramm den Realbetrieb demonstrieren soll. Um das Potenzial von Energiespeichern in der Industrie abzuschätzen, wurde am DLR eine systematische Analysemethode entwickelt und in einem geeigneten Softwaretool realisiert. Anhand der Daten aus der Elektrostahlproduktion und dem Heizkraftwerk wurde dieses Tool  validiert. Damit können Prozesse schnell analysiert und die besten Speichereinsatzmöglichkeiten identifiziert werden. Die Inbetriebnahme des Forschungsspeichers ist für Winter 2018/2019 geplant.

Analyse der Industrie- und Heizkraftwerksprozesse

In dem Projekt werden unterschiedliche Industrie- und Heizkraftwerksprozesse hinsichtlich einer möglichen Speicherintegration analysiert. Im Fokus stand dabei die Anwendung von Hochtemperatur-Wärmespeichern mit einer Speichertemperatur von mehr als 200 Grad Celsius. Besonders interessant und anspruchsvoll ist die Planung, die Errichtung und der Betrieb eines Hochtemperatur-Latentwärmespeichers für den Einsatz in einem realen Heizkraftwerksprozess.

Innerhalb des TESIN-Projektes wurden die möglichen technischen und wirtschaftlichen Potenziale der Speicherintegration in Stahlwerken und Heizkraftwerken zunächst ermittelt. Dazu wurden Messkampagnen im Stahlwerk und theoretische Potenzialabschätzungen mit Hilfe von kommerziellen Kreislaufsberechnungsprogrammen für die Heizkraftwerke durchgeführt. Parallel hierzu wurde ein erster, großer Forschungsspeicher für ein Steag New Energies Heizkraftwerk ausgelegt, analysiert und gebaut. Derzeit wird der Speicher im Kraftwerk integriert und die experimentelle Phase vorbereitet.

Potenzial abschätzen und dann den Speicher integrieren

Im Heizkraftwerk Wellesweiler soll untersucht werden, ob durch die Speicherintegration und der aktuelle Dauerbetrieb eines Reservekessels vermieden und damit in signifikantem Umfang fossiler Brennstoff eingespart werden kann. Da die technische und wirtschaftliche Potenzialabschätzung Erfahrungen aus dem realen Bau und Betrieb des Speichers erfordert, wird die wirtschaftliche Bewertung am Ende des Projektes durchführt.

Im Falle der Speicherintegration in Stahlwerke wurden in einem ersten Schritt die Energieströme im Stahlwerk detailliert analysiert. Ziel ist dabei die Identifikation von Wärmeströmen, welche sich technisch und ökonomisch sinnvoll zwischenspeichern lassen. Daneben werden Prozessschritte identifiziert, in die die zwischengespeicherte Energie eingekoppelt werden kann. Die Integrationskonzepte wurden erstellt und sehen vor, Energie aus dem Rauchgasstrom des Elektrolichtbogens in einen Flüssigsalzspeicher einzuspeisen. Dieser Speicher wird dann kontinuierlich mit einem Dampfprozess, der zur Umwandlung der thermischen Energie in elektrischen Strom dient, entladen. Dieser Strom lässt sich für den Eigenbedarf nutzen oder ins Stromnetz speisen.

Parallel zu diesen Arbeiten wurde der Kraftwerkspark der SNE in Hinblick auf eine sinnvolle Speicherintegration analysiert. Die Potenzialabschätzungen wurden erstellt. Diese zeigten, dass die Integration von Energiespeichers in neue Anlagen, bei denen die Be- und Entladeparameter des Speichers in der Planung des Heizkraftwerks mit berücksichtigt werden, am sinnvollsten und wirtschaftlichsten ist.

Arbeitspakete des TESIN-Projektes

  • Referenzkonzept und Potentialanalyse für Einsatz von Speichern in Elektrostahlwerken
    Die Energieströme in der Elektrostahlproduktion wurden ermittelt und darauf aufbauend untersucht, welche Verbesserungen durch den Einsatz idealer Speicher erzielt wurden können. Für die ausgewählten Varianten werden verschiedene Konzepte für die Speicherung, Übertragung und Nutzung von Abwärme untersucht, verglichen und ein Referenzkonzept festgelegt. Für das Referenzkonzept wurden eine Grobauslegung und eine Abschätzung der Investitionskosten durchgeführt. Die Wirtschaftlichkeit der Speicherintegration für die Anlage Kehl wurde geprüft und die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale zwischen verschiedenen Elektrostahlwerken und deren Einfluss auf Speicherlösungen werden identifiziert.
  • Potenzialanalyse für Einsatz von Speichern im Kraftwerksbereich
    Innerhalb einer Potenzialanalyse wurden Kraftwerke von SNE, die Prozessdampf produzieren und eine Besicherungsfunktion haben, untersucht und deren Energieflüsse analysiert. Ein Vergleich mit dem Heizkraftwerk Wellesweiler wurde durchgeführt, um ggf. andere für den Speichereinsatz entscheidende Prozessparameter herauszuarbeiten. Weiterhin wurden die Möglichkeiten für einen Speichereinsatz im Unternehmen SNE untersucht.
  • Weiterentwicklung der Hochtemperatur-Latentwärmespeicher für hohe Leistungsdichte und Überhitzung
    Um den ständigen Minimallastbetrieb der in der Besicherung vorgehaltenen Heizkessel im Heizkraftwerk Wellesweiler zu ersetzen, muss ein Hochtemperatur-Latentwärmespeicher für eine kurze Zeit (circa 15 Minuten) den erforderlichen überhitzten Dampf produzieren. Bisherige Speicher wurden für längere Entladezeiten im Bereich von 1 bis 2 oder 6 bis 8 Stunden, bzw. geringeren Leistungen ausgelegt. Zudem wird in dieser Anwendung überhitzter Dampf benötigt, der ebenfalls im Hochtemperatur-Latentwärmespeicher erzeugt werden soll. Bereits realisierte Speicher beschränkten sich auf die Erzeugung von Sattdampf. Daher war eine Weiterentwicklung dieser Technologie erforderlich.Es wurde ein Rippenprofil ausgelegt, untersucht und die verschiedenen Parameter für die EInbindung des Speichers in das Heizkraftwerk berechnet. So wurde die Basis für die detaillierte Auslegung des Speichers geschaffen.
  • Bau und Integration eines PCM-Speichers im Heizkraftwerk
    Nachdem das Speichersystem für das Heizkraftwerk wurde entworfen und ausgelegt wurde erfolgte die Auslegung für Rohrleitungen, Ventile und eine Schaltplan und –logik. Zudem erstellten die Wissenschaftler einen Plan für die Inbetriebnahme beim laufendem Kraftwerksbetrieb und definierten die erforderliche Messtechnik im Speicher und in der Systemtechnik. Parallel hierzu wurden für Integration und Betrieb des Wärmespeichers in das Heizkraftwerk Wellesweiler die notwendigen Genehmigungen beantragt. Als nächste Schritte wird das PCM-Speicher an das Heizkraftwerk angebunden.
  • Inbetriebnahme und Betrieb des PCM-Speichers im HKW Wellesweiler
    Kalte und warme Inbetriebnahme des Speichersystems und aller Teilsysteme. Diese dient zur Prüfung aller Anlagenteile und des Gesamtsystems. Hiernach gibt es noch einzelne Anpassungen und eine Fertigstellung, bevor das System in laufenden Betrieb genommen werden kann. Außerdem wird der Speicher bei der Inbetriebnahme mit Salz befüllt. Die Befüllung erfolgt mit kaltem Salz im festen Zustand. Es werden die Wärmeverluste, das Leistungsprofil für verschiedene Betriebsparameter und die Umschaltgeschwindigkeit bestimmt. Während des Betriebs werden Zyklentests durchgeführt und Betriebserfahrungen in allen relevanten Anlagenzuständen gesammelt und ausgewertet. Wenn die Betriebsoptimierung abgeschlossen ist und ein sicherer Speicherbetrieb gewährleistet werden kann, wird der Speicher in den regulären Betrieb überführt und weiterhin Betriebsdaten gespeichert und ausgewertet.
  • Entwicklung eines Analyseverfahrens zum Speichereinsatz in Industrieprozessen
    Entwicklung und Erprobung eines Softwaretools zur abstrakten Darstellung von Industrieprozessen als Kombination von Energiequellen, Energiesenken, Energiewandlungsprozessen, Speicherelementen und zeitlich variierenden Energieströmen wurde durchgeführt. 
  • Mitarbeit im IEA Implementing Agreement ECES
    Das DLR übernam die Rolle als Operating Agent im Annex 30 des IEA Implementing Agreement ECES (Energy Conservation through Energy Storage) und bearbeitete dieses auch fachlich. Es hatte den Titel „Thermal Energy Storage for Cost-Effective Management and CO2 Mitigation”. Die wissenschaftlichen Arbeiten und Ergebnisse aus dem Projekt TESIN wurden als deutscher Beitrag eingebracht.
Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

2. April 2019
10. Batterietagung 2019

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