Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse · Aktivkohle Zeolithe Wasser Silikagel...
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1 28. September 2012
Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse Heike Schreiber Sorptionstechnologie
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik RWTH Aachen University Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow
© 28. September 2012 2 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse
Übersicht
• Was sind Adsorptionsspeicher?
• Anwendungsbeispiel Brauprozess
• Forschung am LTT
© 28. September 2012 3 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse 3
Prinzip der Sorptionsspeicher
• Stofftrennung
• Gespeicherte Wärme Bindungsenergie
BAHAB
AB
B
A
B B
AB Wärme Wärme
Speicher
beladen
Speicherung
reversibel
Speicher
entladen
© 28. September 2012 4 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse
Welche Materialien?
NH3
CH3OH
LiBr
A
B
Ionic liquids
Metal Organic Frameworks
Aktivkohle
Zeolithe
Wasser
Silikagel
© 28. September 2012 5 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse 5
Adsorptionsspeicher mit Zeolith und Wasser
Zeolith
• „siedender Stein“
• Poröse Alumosilikat-keramik
• Naturprodukt
• stark hydrophil
• verfügbar
Wasser
• Ungiftig
• Gute thermische Eigenschaften
A
B
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Wie bewahre ich das Wasser auf?
Wasserdampf
verflüssigen
kondensieren
Wärme
Wasser austreiben
desorbieren
Wassertropfen
Flüssiges Wasser
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Funktionsprinzip Adsorptionswärmespeicher
Desorption Speicher laden
Adsorption Speicher nutzen
Verdampfungs-wärme
Kondensations-wärme
Zeolith
Antriebs-wärme
Nutzwärme
Austreiben des Wassers Aufnahme des Wassers
Zeitliche Trennung von Ad- und Desorptionsphasen
Wärmespeicherung
Wasser Wasser
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Wie kann ich Kälte bereitstellen?
Desorption Speicher laden
Adsorption Speicher nutzen
Verdampfungs-
wärme
Kondensations-wärme
Zeolith
Antriebs-wärme
Abwärme
Austreiben des Wassers Aufnahme des Wassers
Kühlleistung!
Wasser Wasser
© 28. September 2012 9 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse
Eigenschaften der Adsorptionsanlagen
• Viele mögliche Materialpaarungen
• Hohe Flexibilität in Bezug auf Temperatur und
Speicherdauer
• Hohe Wärmespeicherdichte
• Verlustarme Speicherung
• Niedertemperaturwärme wird eingebunden
© 28. September 2012 10 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse
Zusammenfassung: Adsorptionsanlagen
Wärme als Energiequelle
• Wärme speichern
• Wärme „pumpen“
• Kälte bereitstellen
©
Bierherstellung bedarf thermischer Energie
Energieintensivster Schritt im Brauprozess
Würzekochen (Eindampfen der Bierwürze)
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Projekt: Energiesparende Brauereitechnologie
Gefördert durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt
Bra
uke
ss
el
© 28. September 2012 12 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse 12
Effiziente Bereitstellung von Energie
Kraft-Wärme-Kopplung
• 2 Produkte (Strom und Wärme)
Hohe Energieausnutzung
Brennstoff-
Luft Gemisch
Kaltes Wasser
Abgas
Abgaswärme-tauscher
Nutzwärme
Strom Generator Motor
Quelle: www.technik-verstehen.de
© 28. September 2012 13 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse 13
• Hochtemperaturwärmebedarf (T > 110°C)
• Energieeffizienter Betrieb des Motorheizkraftwerks
• Geringere Anlagengröße – spart Investkosten
Adsorptionswärmespeicher
Wärmeprofil im Brauprozess
W ä rme - leistung in kW
Zeit in Stunden
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4
5 6
7 8
W ä rme - leistung in kW
Zeit in Stunden
W ä rmebedarf Braukessel W ä rmebedarf Braukessel
Abw ä rme MHKW Abw ä rme MHKW
ben ö tigte Speicher - kapazit ä t
ben ö tigte Speicher - kapazit ä t
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4
5 6
7 8
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Prozessablauf Würzekochen
BHKW
Adsorptions
-speicher
Braukessel
Zeolith
Zeit
Wärme
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Aufbau Speichermodul
Adsorber
Verdampfer/Kondensator
Vakuum-dichtes Fass
Zeolith 13X
Wasser
© 28. September 2012 16 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse 16
Einbindung des Speichers ins Gesamtsystem
G
Abgas-wärme-übertrager
Motor
Brau-kessel
Warmwasserspeicher
Zeolith-speicher
T < 90°C
T = 120-240°C
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Arbeitspakete des Projekts
• Anlagenauslegung der Einzelkomponenten wie Braukessel,
Zeolithwärmespeicher, Rauchgaswärmeübertrager und
Warmwasserspeicher
• Modellierung des Wärmehaushaltes einer Brauerei
• Entwicklung und Bau der Prototypen Zeolithspeicher und
Rauchgaswärmeübertrager
• Betrieb der Prototypen im Verbund und Messung des Verhaltens bei
typischen Lastzuständen
• Energetische Bilanzierung und betriebswirtschaftliche Betrachtung
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Speichernutzen: Leistungsverschiebung
W ä rme - leistung in kW
Zeit in Stunden
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4
5 6
7 8
W ä rme - leistung in kW
Zeit in Stunden
W ä rmebedarf Braukessel W ä rmebedarf Braukessel
Abw ä rme MHKW Abw ä rme MHKW
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4
5 6
7 8
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Niedertemperaturwärmeeinfluss auf den Speicher
• Nutzung der Kondensationswärme im Brauprozess möglich
• Abwärme für Verdampfung vorhanden
– Wärmerückgewinnung im Prozess
– Überschüssige Kühlwasserwärme des BHKW
• Variation der Temperaturniveaus im Verdampfer / Kondensator
Betrachtung des Gesamtsystems notwendig
Verdampfer Kondensator Speicherdichte Wirkungsgrad
Temperatur Temperatur
Temperatur Temperatur
© 28. September 2012 20 Adsorptionswärmespeicher für industrielle Batch-Prozesse
Ergebnisse des Projekts
• Funktionsnachweis des Speichers
– Lastverschiebung realisierbar
– 80 % Wirkungsgrad
– 2 x höhere Speicherdichte im Vergleich zu Warmwasser-Druckspeichern
– Niedertemperaturwärme im Prozess nutzbar
– Optimierungspotential vorhanden
• Verbundanlage erfolgreich getestet
• Vergleich Modellbrauerei mit konventioneller Brauerei
– 32 % Primärenergieersparnis
– Wirtschaftlich durch Biogasnutzung und KWK-Vergütung
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Projektbeteiligte und -förderung
Projektpartner
Brauereimaschinenfabrik Kaspar Schulz KG
Apparatebau für Brauereien
Technische Universität München
Arbeitsgruppe Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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Der Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
Energiesystemtechnik
Sorptionstechnologie
Messtechnik
Molekulare Thermodynamik
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Aktivitäten in der Sorptionsgruppe
Modellierung von Adsorptionsanlagen
Prüfstandsaufbau und -betrieb
Material-charakte-risierung
Prototypenbau
Experimentelle Validierung von Modellen
Komponenten-entwicklung
Konzeptionierung von Anlagen
• Wärmepumpen
• Kältemaschinen
• Thermische Speicher
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Wo liegen die Forschungsschwerpunkte?
• Verstehen der Vorgänge in der Adsorptionsanlage
– mathematische Modellbildung
– Vorhersagbarkeit des Anlagenverhaltens
• Verstehen des Zusammenspiels im System
– Dynamische Modellierung
– Vorhersagbarkeit des Systemverhaltens
Systematisches Auslegen statt „Trial and Error“
• Erforschung der energietechnischen Anwendungen für Adsorptions-Systeme
– Systemeinbindung • Nutzung von Niedertemperaturwärmeströmen
– Speicherdichte (Platzbedarf)
– Materialauswahl (Kosten)
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Möglichkeiten der Zusammenarbeit
Inhaltlich
• Industrielle Prozesswärme- und Kälteversorgung
• Stromgeführte KWK mit Wärmespeichern
• KWKK
Praktisch
• Öffentlich geförderte Projekte oder Dienstleistung
• Simulationsstudie zu Anlagenkonzepten und
Systemeinbindung
• Experimentelle Untersuchungen
• Prototypenentwicklung
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Kontakt
Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow
Tel.: +49 (0)241 80-9 53 81
E-Mail: [email protected]
Dipl.-Ing. Heike Schreiber
Tel.: +49 (0)241 80-9 81 76 E-Mail: [email protected]
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik
Schinkelstraße 8
D - 52062 Aachen Fax.: +49 (0)241 80 92 255
Web: http://www.ltt.rwth-aachen.de