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Thermischer Speicher
BMWi
Industrielle Abwärmenutzung 12.9.2017

Die Abbildung zeigt Feststoffproben zur Bestimmung der Wärmekapazität.
© ZAE Bayern

Gießerei nutzt Abwärme des Schmelzofens

Das Projekt unterteilt sich in vier Phasen: Konzept- und Entwicklungsphase, Umsetzung und Inbetriebnahme, Erprobungsphase und Bewertungsphase. Derzeit befindet sich das Projekt am Ende der Konzept- und Entwicklungsphase. Mit der Umsetzungsphase wurde bereits begonnen. Diese Arbeiten beinhalteten insbesondere die Planungsarbeiten der Pilotanlage. Die Laufzeit des Verbundprojektes wurde verlängert. Die Umsetzung und Inbetriebnahme beginnt voraussichtlich im Frühjahr 2018.

Projektstatus Entwicklung
Speichereffekt Temperarturänderung (sensible Wärme); Feststoffspeicher im Direktkontakt mit Wärmeträger
Entwicklungsgegenstand Speichermedium, Stahl-Speicherkonstruktion
Temperaturtyp Hochtemperatur
Speicherung/Ladung Direkt
Speicherzeit Kurz (Stunden bis Tage)
Zyklenzahl Täglich
Ladetemperatur (-bereich) Bis 300 °C
Entladetemperatur (-bereich) Entsprechend Abnehmer
Speicherkapazität 10 MWh
Energiespeicherdichte 0,6 kWh/m³K
Projektlaufzeit Juni 2013 bis November 2018

In energieintensiven Industrien – unter anderem Gießereiwesen oder Zementindustrie – kann durch die Nutzung von Abwärme beispielsweise als Prozess- oder Heizwärme der Energieeinsatz erheblich gesenkt und somit der Verbrauch an Primärenergie und der damit verbundene Ausstoß von Treibhausgasen reduziert werden. Hierbei stellt insbesondere die Nutzung von diskontinuierlicher Abwärme (bei >100 °C) durch Speicherung ein bereits häufig diskutiertes und theoretisch betrachtetes Feld dar, in dem es jedoch bisher nur sehr vereinzelt zu industriellen Anwendungen gekommen ist. Hauptgrund hierfür sind die hohen Investitionskosten verfügbarer Speichertechnologien für den Einsatz bei Temperaturen über 100 °C. Ein weiterer Grund sind zudem die vergleichsweise geringen Energiekosten für Gas und Strom im Bereich der energieintensiven Industrie. Kommt hierzu eine niedrige Zyklenzahl von Be- und Entladung des Speichers, ist ein wirtschaftlicher Betrieb kaum zu erreichen. Die Entwicklung günstiger Speicher, die Erschließung möglichst vieler Abwärme-Quellen sowie die Identifikation potenzieller Wärmeabnehmer und deren intelligente Verknüpfung durch ein Energiesystem ist daher Grundvoraussetzung für eine wirtschaftliche Abwärme-Nutzung durch thermische Energiespeicherung.

  • Der Ausschnitt der Grafik zeigt den Temperaturverlauf der nutzbaren Abwärme der Gießerei Heunisch. © ZAE Bayern
  • Zu sehen ist der Einfluss der Feststoffschüttung (FSS) auf Kosten und Speicherkapazität im Vergleich zu einem konventionellen Thermoölspeicher. © ZAE Bayern
  • Die Skizze zeigt das Prinzip eines Zweistoffspeichers. © ZAE Bayern
  • Die Abbildung zeigt Feststoffproben zur Bestimmung der Wärmekapazität. © ZAE Bayern
  • Unterschiedliche Gesteinsarten werden einer Messung zur Wärmeleitfähigkeit unterzogen. © ZAE Bayern

Im Rahmen dieses Verbundprojektes zwischen der Gießerei Heunisch, des ZAE Bayern und dem Gießerei-Anlagenbauer Küttner wird ein Energiespeichersystem zur Nutzung diskontinuierlicher industrieller Abwärme entwickelt und in einer Demonstrationsanlage erprobt. Das Energiespeichersystem soll die Abwärme des Schmelzofens der Gießerei (Kupolofen) speichern, um diese während der Stillstandzeiten des Ofens weiter zur Bereitstellung von Prozess-/Heizwärme und Prozesskälte nutzen zu können. Erreicht werden soll dies durch den Einsatz innovativer Technologien im Bereich der Wärmespeicherung (bis 300 °C) und Wärmetransformation und deren effiziente Verknüpfung mit Wärmesenken und -quellen, gesteuert durch ein übergeordnetes Energiemanagementsystem.

Hochtemperatur-Wärmespeicher ist Kern des Systems

Im Rahmen dieses Verbundvorhabens ist die Entwicklung und Umsetzung eines innovativen Energiespeichersystems zur Nutzung von diskontinuierlicher, industrieller Abwärme geplant. Kernkomponente des Systems stellt ein Hochtemperatur-Wärmespeicher (einsetzbar bis 300 °C) dar. Dieser soll als sogenannter Zweistoffspeicher ausgeführt werden. Hierbei wird eine Feststoffschüttung (FSS) im Direktkontakt von einer Wärmeträgerflüssigkeit umströmt. Dieses drucklose Konzept verspricht erhebliche Vorteile gegenüber alternativen Speicherkonzepten (z. B. Druckwasserspeicher oder Thermoölspeicher) insbesondere in Bezug auf die Herstellungskosten durch die Verwendung kostengünstiger Feststoffschüttungen, z. B. aus Gestein. Ein weiterer Schwerpunkt des Verbundvorhabens liegt auf der Anpassung einer Absorptionswärmepumpe (AWP) auf den Betrieb mit Thermoöl als Wärmeträger. Diese dient zur Bereitstellung von Prozesskälte sowie zur Bereitstellung von Heizwärme bei großem Hub. Die gespeicherte Abwärme kann dadurch vielfältig zur Bereitstellung von Prozesskälte, zum Antrieb der AWP, zum Heizen und zur Brauchwasserbereitung genutzt werden.

Bei der Entwicklung des Energiesystems und ihren Komponenten spielt die Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit eine maßgebende Rolle. Während der Erprobung des Energiespeichersystems unter realen Betriebsbedingungen steht daher die wirtschaftliche Bewertung des Systems im Fokus. 

Das Projekt unterteilt sich in vier Phasen: Konzept- und Entwicklungsphase, Umsetzung und Inbetriebnahme, Erprobungsphase und Bewertungsphase. Derzeit befindet sich das Projekt am Ende der Konzept- und Entwicklungsphase. Mit der Umsetzungsphase wurde bereits begonnen. Diese Arbeiten beinhalteten insbesondere die Planungsarbeiten der Pilotanlage. Die Laufzeit des Verbundprojektes wurde verlängert. Die Umsetzung und Inbetriebnahme beginnt voraussichtlich im Frühjahr 2018.

Teilvorhaben: Entwicklung, Anpassung und Erprobung

Entwicklung und Test Hochtemperaturspeicher
Im Projektverlauf wurden zunächst unterschiedliche Gesteinsarten hinsichtlich ihrer Eignung als Speichermaterial untersucht. Grundlage waren hierbei zunächst die Stoffeigenschaften. Gesteinsarten mit hoher Dichte und Wärmekapazitäten (z.B. Basalt) wurden in die nähere Auswahl genommen. Diese wurden dann hinsichtlich ihrer chemischen und thermo- mechanischen Beständigkeit z.B. durch Langzeitversuche untersucht. Geeignete Feststoffschüttungen konnten so identifiziert werden. Im Anschluss erfolgt die Erprobung des Speicherkonzepts im Labor. Hierzu wurde ein Versuchsspeicher mit 60cm Durchmesser und einem Volumen von ca. 670 Liter aufgebaut. Beim Bau der Versuchsanlage kam es zu Verzögerungen. Zu weiteren Verzögerungen kam es aufgrund zu hohen Restwassergehalts der verwendeten Schüttung und der daraus resultierenden Dampfentwicklung währen der Inbetriebnahme. Ein Austausch des Speichermaterials war daher notwendig. Die Inbetriebnahme war daraufhin zu Beginn 2017 problemlos möglich. Nach erfolgreicher Inbetriebnahme wurden und werden derzeit umfangreiche Untersuchungen bei Temperaturen bis 210°C durchgeführt. Betrachtet werden hierbei die Speicherkapazität, die thermische Leistung sowie die Effizienz des Speichers. Darüber hinaus wird der Druckverlust des Speichers untersucht. Die bisherigen Versuche zeigten, dass das Speicherkonzept die Erwartungen und Anforderungen mehr als erfüllt. So konnten hohe Entladeleistungen von bis zu 250kW (Entladung von 210°C auf 100°C) bei hoher Effizienz erreicht werden. Dies übertrifft die Anforderungen im Pilotbetrieb deutlich. Während den Versuchen kam es zudem zu keinen Zwischenfällen z.B. durch Austragen von Feststoff. Der Druckverlust des Speichers ist wie erwarten sehr gering und liegt deutlich unterhalb von 50mbar pro Meter Speicherhöhe. Der Funktionsnachweis des Zweistoffspeichers für die geplante Anwendung wurde damit erbracht.

Anpassung Absorptionskältemaschine/-wärmepumpe
Die Anpassung des Konzepts der Wärmeübertragung in der Absorptionswärmepumpe als auch die Dimensionierung des benötigten Wärmeübertragers wird derzeit umgesetzt. Die Anforderungen an die Absorptionswärmepumpe wurden basierend auf Messdaten final festgelegt. Darüber hinaus wurde mit den Planungsarbeiten zur Integration der Absorptionswärmepumpe in das bestehende Energiesystem der Gießerei begonnen.

Erprobung des Energiesystems unter realen Betriebsbedingungen
Der Aufbau des Pilotspeichers erfolgt aus standardisierten Speichermodulen mit einem Volumen von je 50m³. Dieser ist als doppelwandiger Behälter ausgeführt um die bestehenden Sicherheitsanforderungen erfüllen zu können. Der durch die Doppelwandigkeit vorhande Hohlraum wird zudem zur Isolierung des Speichers genutzt. Hierbei kommt eine sogenannte Vakuum-Super-Isolierung zum Einsatz. Hierdurch können sehr gute Isoliereigenschaften mit einer hohen Standzeit realisiert werden. Der Aufbau des Energiespeichersystems erfolgt schrittweise. Im Frühjahr 2018 ist der Aufbau der ersten Speichereinheit geplant. Nach der Inbetriebnahme des Energiespeichersystems beginnt die Erprobung der Demonstrationsanlage unter realen Betriebsbedingungen. Danach ist der Ausbau der Speicherkapazität auf bis zu drei Speichermodule geplant. Während dieser Projektphase erfolgt eine kontinuierliche, intensive technische sowie wissenschaftliche Betreuung der Anlage. Basierend auf einem Monitoring erfolgt die Analyse des Energiespeichersystems. Ziel hierbei ist eine ökologische und ökonomische Bewertung der Demonstrationsanlage sowie die Identifikation von Optimierungspotentialen und deren Umsetzung bzw. die Identifikation des hierfür weiter notwendigen Forschungs- und Entwicklungsbedarfs.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

29. November 2017
RENEXPO® PV & StromSpeicher

5. Dezember 2017
Intersolar India

24. Januar 2018
6. Batterieforum Deutschland

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Richard Gurtner
    ZAE Bayern - Bayrisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.