Hochtemperatur Wärmespeicher

Metallbasierte Wärmespeicher können Prozesswärme mit hohen Temperaturen speichern und damit die Prozessdampferzeugung industrieller Kraftwerke flexibilisieren

Hochtemperatur Wärmespeicher für Industrie und Kraftwerke

Wärmespeicher (Thermische Energiespeicher, Latentwärmespeicher), insbesondere metallbasierte Hochtemperaturspeicher, können die Fahrweise industrieller Heizkraftwerke flexiblisieren, indem Sie Prozesswärme speichern und Prozessdampf bereitstellen. Betreiber können so Kosten für Brennstoffe in Hilfskesseln einsparen.

thermischer energiespeicher
Versuchsanlage zur Untersuchung von Hochtemperaturspeichern / Wärmespeichern im Centrum für Energiespeicherung von Fraunhofer UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg

Mit dem Einsatz von Metalllegierungen als Phasenwechselmaterialien in Wärmespeichern / Hochtemperaturspeichern kann die Prozessdampfbereitstellung industrieller Heizkraftwerke flexibler und effizienter werden.

Die Kosten konventioneller Prozessdampfbesicherungen durch Dampfkessel lassen sich signifikant senken.

Ausgangssitution

Industrielle Heizkraftwerke stellen neben elektrischer Energie, Prozesswärme für industrielle Anlagen und Prozesse in Industrie- oder Chemieparks bereit. Mittels Kraft-Wärme-Kopplung wird bei der Stromproduktion Dampf aus der Turbine einem Prozessdampfnetz zugeführt.

Beim Abfahren eines Heizkraftwerks (bspw. für Revisionen oder getrieben durch niedrige Preise am Strommarkt), übernehmen meist fossil gefeuerte Hilfskessel (Besicherungskessel, Reservekessel) die Prozessdampferzeugung bis zur Wiederanfahrt.

Diese Dampfkessel müssen im permanenten Mindestlastbetrieb vorgehalten werden, um eine schnelle Dampferzeugung und somit eine ausfallsichere Versorgung der Industrieprozesse zu gewährleisten. Das kontinuierliche Vorhalten der Hilfskessel geht mit hohen Verbräuchen an Heizöl oder Erdgas einher und verursacht im Vergleich zum eigentlichen Heizkraftwerksbetrieb deutlich höhere Kosten.

Hochtemperaturspeicher sichert Dampfversorgung

Mittels eines neu entwickelten, hochdynamischen Wärmespeichers, welcher Metalllegierungen nach dem Phasenwechselprinzip verwendet, kann beim Herunterfahren oder im Teillastbetrieb des Heizkraftwerks die Versorgung mit Prozessdampf effizient und kostenoptimiert überbrückt werden.

Die Hilfskessel für die Dampferzeugung werden in den Warmhaltebetrieb überführt und somit erhebliche Kosten eingespart.

Durch die Integration des Wärmespeichers steht den Hilfskesseln genügend Zeit zur Verfügung, um schonender von der sparsameren Warmhaltung in den Volllastbetrieb überzugehen.

Erste Wirtschaftlichkeitsberechnungen von Fraunhofer UMSICHT zeigen, dass sich die Investition in einen metallischen Wärmespeicher für die Prozessdampfbesicherung innerhalb kürzester amortisieren kann.

Prinzip eines latenten Hochtemperatur Wärmespeichers zur Prozessdampfbesicherung in einem Industriepark

Metalllegierungen im Temperaturbereich von 250 – 550 °C

Die Grundlage des neuen Wärmespeichers bildet die Entwicklung und Untersuchung von metallbasierten Phasenwechselmaterialien sowie geeigneten Verkapselungsmaterialien im Mittel- bis Hochtemperaturbereich. Durch die hohen Wärmeleitfähigkeiten von Metalllegierungen lassen sich mit einfachsten Wärmespeichergeometrien bereits hohe Speicherdynamiken erzielen.

Die möglichen Anwendungsgebiete sind unabhängig vom eingesetzten Wärmeträgermedium und erstrecken sich über die Bereitstellung von Prozesswärme / Prozessdamp hinaus. Überall dort, wo schnell Wärme ein- und ausgespeichert werden muss, können metallbasierte Latentwärmespeicher eine Lösung sein.

Die Grundlage für Wärmespeicher im Mittel- bis Hochtemperaturbereich bildet die Entwicklung von Phasenwechselmaterialien sowie geeigneter Verkapselungsmaterialien, die bei Fraunhofer UMSICHT vorangetrieben wird.

Projekt "TheMatIK"

Im Projekt TheMatIK wurden metallische Phasenwechselmaterialien (PCM) und metallische Verkapselungen auf ihre Eignung als Wärmespeicher untersucht. Neben Fraunhofer UMSICHT waren die enolcon GmbH, die Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden sowie die Uniper Technologies GmbH beteiligt.

Dabei wurde ein Kompromiss zwischen ökonomischen und thermodynamischen Optima für das PCM und die Verkapselung gefunden. Das im Projekt entstandene Wärmespeicherkonzept wurde mit Hilfe strömungstechnischer Simulationen entwickelt.

Zusätzlich fanden Prozesssimulationen zur Untersuchung des Speicherverhaltens in einem realen Prozessdampfnetz statt. In einer Versuchsanlage fanden unter Kraftwerksbedingungen Tests an einer ausgewählten Kombination aus Phasenwechsel- und Verkapselungsmaterial statt.

Entwicklungsschritte des Verbundprojektes im Überblick

Definition der Anforderungsparameter an die Materialien (PCM und Verkapselung)

Entwicklung von metallischen PCM und der dazugehörenden Verkapselung

Strömungssimulation des Wärmespeicherkonzeptes

Nachweis der Zyklenstabilität durch Belastungstests im Labormaßstab

Prozesssimulation zur Nachbildung der Speicherintegration in ein Prozessdampfnetz

Wirtschaftlichkeits- und Potentialanalyse des Wärmespeicherkonzeptes für fossile und erneuerbare Heizkraftwerke

Erstellung von detaillierten Verwertungskonzepten zur Speicherintegration in der Kraftwerkstechnik

Das Projekt wurde durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Technologievergleich Wärmespeicher

Vergleich unterschiedlicher Speichermaterialien / Wärmeübertrager-Technologien zur Wärmespeicherung im Hochtemperaturbereich

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Technologiekonzepte im Bereich der Hochleistungswärmespeicher. Im Projekt TheMatIK werden Metallegierungen als Speichermaterial verwendet.

Technologievergleich Wärmespeicher

Technologie               sensibel                    latent           
  thermochemisch

Speichermaterial

 

KNO3-NaNO3
Vulkangestein ZNAl6         
NaNO3 Ca(OH)2

Temperaturniveau °C


290 - 560
600 250 - 550
306 500
Speicherdichte / Masse
(kJ · kg-1)
- -- 0 + ++
Speicherdichte / Volumen
(kJ · m-3)
-- -- ++ 0 ++
Leistungsdichte
(kW· m-3)
-- -- ++ ++ 0
Investitionskosten
(€ · kWh-1)
+ + 0 0 -