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Thermischer Speicher
BMWi
Industrielle Abwärmenutzung 12.4.2017

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

Gießerei nutzt Abwärme des Schmelzofens

In der Industrie, beispielsweise in Gießereien oder in der Zementindustrie, kann durch die Nutzung der entstehenden Abwärme der Energieeinsatz erheblich gesenkt werden. Wissenschaftler erproben im Verbundprojekt „IAST“ ein Speichersystem, welches die Abwärme eines Gießerei-Schmelzofens nutzen soll. Die Inbetriebnahme der Demonstrationsanlage ist für Ende 2014 geplant.

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 in der Konzept- und Entwicklungsphase. Die Umsetzung und Inbetriebnahme beginnt voraussichtlich Ende 2014 .

Teilvorhaben: Entwicklung, Anpassung und Erprobung

Entwicklung und Test Hochtemperaturspeicher
Für die Entwicklung des thermischen Speichers werden am ZAE Bayern im Vorfeld Laboruntersuchungen vorgenommen. Zur Identifikation von geeigneten Feststoffschüttungen  als Speicherfüllmaterial ist ein geeigneter Teststand zur Ermittlung der chemischen Beständigkeit und  Zyklen-Festigkeit notwendig. Ein Speicherteststand zur Untersuchung des Einflusses von Feststoffschüttungen, so zum Beispiel der: Schüttungsart, Schüttungsgröße/-form, Schüttungsdichte, Beschaffenheit der Schüttungsoberfläche, Druckverlust bei Durchströmen mit Thermoöl auf die Charakteristik des thermischen Speichers in Bezug auf Leistung, Kapazität und Schichtungsverhalten ist darüber hinaus geplant. Offene Fragen, zum Bau eines Pilotspeichers, so zum Beispiel zu: Methoden zur Speicher-Befüllung, System zur Be- und Entladung (Wärmeein- und -auskopplung), Beherrschung der Volumenausdehnung/thermische Spannungen, sollen mithilfe des Testspeichers erörtert und technische Lösungen erarbeitet werden.

Anpassung Absorptionskältemaschine/-wärmepumpe
Die Notwendigkeit der Anpassung der Absorptionswärmepumpe betrifft zum einen die neuartige Zufuhr der Antriebswärme durch einen Thermoölmassenstrom anstelle von Heißwasser, Dampf oder Rauchgas. Hierbei muss sowohl das Konzept der Wärmeübertragung in der Absorptionswärmepumpe als auch die Dimensionierung des benötigten Wärmeübertragers angepasst werden. Zum anderen muss die Absorptionswärmepumpe an die geforderten Temperaturniveaus bei der Bereitstellung der Kälte (ca. 5 °C, Rückkühlung bei ca. 40 °C) und Wärme (ca. 85 °C), Niedertemperaturquelle (bei ca. 30 °C) angepasst werden.

Erprobung des Energiesystems unter realen Betriebsbedingungen
Nach der Inbetriebnahme des Energiespeichersystems beginnt die Erprobung der Demonstrationsanlage unter realen Betriebsbedingungen. 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

5. Juli 2017
Thermische Energiespeicher

11. Juli 2017
Intersolar North America

22. August 2017
Intersolar South America

» 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.