Solare Prozesswärme

Komponenten

Für den Einsatz solarer Wärme wird die Einbeziehung des Sektors "Industrielle Prozesswärme" als wichtige zukünftige Aufgabenstellung eingestuft [1]. Hier wird im Temperaturbereich 100 - 300°C vor allem Niederdruck-Prozessdampf benötigt, der relevant ist für den Nahrungsmittelsektor, Herstellung von Baustoffen, Pappe und Papier, für die Textilindustrie und viele andere Wirtschaftsgüter. Dieser Markt kann für die Solartechnik aber nur erschlossen werden, wenn eine effiziente und kostengünstige Speichertechnik zur Verfügung steht, die eine störungsfreie Bereitstellung thermischer Energie gewährleistet.

Speichertechnik für Solare Prozesswärme

Von Wolf-Dieter Steinmann, Dörte Laing und Rainer Tamme*

Speicherkonzepte

Die Integration eines Energiespeichers erfordert einerseits die Anpassung an die Solarkollektoren, andererseits muss der Speicher die jeweiligen Prozessbedingungen erfüllen. Dabei kann der Speicher auch so eingesetzt werden, dass Energie vom Prozess aufgenommen wird oder Energie an die Kollektoren abgegeben wird, um die Gesamteffizienz der Anlage zu optimieren (siehe Abbildung 1). Für den Temperaturbereich >100°C kann Wasser unter Umgebungsdruck nicht mehr als Speichermedium eingesetzt werden, so dass unterschiedliche direkte und indirekte Speicherverfahren und Konzepte, wie in Abbildung 2 dargestellt, herangezogen werden müssen.

Abbildung 1: Integrierter thermischer Speicher in Wechselwirkung mit Solarkollektor und Prozess

Speicherkonzept	Prinzip	Typische Speichermedien	Verfügbarkeit
Fluidspeicher	Speicherung sensibler Wärme in flüssigem Speichermedium	Thermoöl, Druckwasser, Flüssigsalz	Umfangreiche Betriebserfahrung im konventionellen Bereich und Solarkraftwerken
Feststoffspeicher	Festes Speichermedium mit integriertem Wärmeübertrager	Beton	Praxisnahe Erprobung in Kombination mit Solarkollektoren
Dampfspeicher	Speicherung sensibler Wärme in Druckwasser, Phasenwechsel bei Be- und Entladung	Druckwasser	Umfangreiche Betriebserfahrung im konventionellen Bereich
Latentwärmespeicher	Isotherme Speicherung in Medium mit Phasenwechsel während der Be- und Entladung	Technische Salze	Experimente im Labormaßstab, ab 2007 praxisnahe Erprobung in Kombination mit Solarkollektoren

Tabelle 1: Speicherkonzepte

Fluidspeicher

Fluidspeicher nutzen ein flüssiges Medium zur Speicherung sensibler Wärme. Das Arbeitsmedium der Solarkollektoren kann direkt gespeichert werden oder die Energie wird an ein flüssiges Speichermedium übertragen. Voraussetzung ist, dass der Siedepunkt des Speichermediums oberhalb der maximalen Betriebstemperatur der Solarkollektoren liegt. Hier bieten sich Thermoöle bzw. Wasser unter entsprechendem Druck an. Bei Thermoöl sind Investitionskosten, Sicherheits- und Umweltaspekte zu beachten. Die Kosten können durch den Einsatz eines Eintank-Schichtspeichersystems reduziert werden. Grundsätzlich ist auch Flüssigsalz geeignet. Hier ist der Fokus auf den Temperaturbereich über 300 °C in solarthermischen Kraftwerken gerichtet.

Feststoffspeichern

Bei Feststoffspeichern wird die Energie zwischen dem Arbeitsmedium der Kollektoren bzw. des Prozesses und einem festen Speichermedium übertragen. Der Wärmeübertrager ist dabei in das Speichermedium integriert. Wesentlich für eine wirtschaftliche Auslegung ist die Wahl eines kostengünstigen Speichermediums, das im Hinblick auf die Wärmeübertragerfläche jedoch auch eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollte. Es eignet sich hier temperaturbeständiger Beton, der eine einfache Integration des Wärmeübertragers ermöglicht. Abbildung 3 zeigt einen Feststoffspeicher (vor Anbringen der äußeren Isolation), der in Kombination mit Rinnenkollektoren bei Temperaturen bis zu 390°C erprobt wird.

Abbildung 3: Feststoffspeicher für Einsatz in Kombination mit Parabolrinnenkollektoren während der Aufbauphase

Dampfspeicher

Dampfspeicher nutzen die hohe volumetrische Speicherfähigkeit von flüssigem Wasser, um sensible Wärme zu speichern. Der Dampfspeicher wird nicht mit flüssigem Wasser beladen sondern durch Zufuhr von Dampf, der im Druckvolumen kondensiert wird. Die Wassertemperatur im Speicher entspricht der Siedetemperatur. Wasser wird sowohl als Arbeitsmedium in den Kollektoren und im Prozess als auch als Speichermedium genutzt. Der Speicher gibt bei der Entladung Sattdampf ab, wobei der Druck abfällt. Dominanter Kostenfaktor ist der Druckbehälter. Da der Energieinhalt des Speichers von der Temperaturänderung der flüssigen Phase im Druckvolumen abhängt, eigenen sich Dampfspeicher insbesondere für Drücke bis ca. 10 bar. Charakteristisch für Dampfspeicher ist die schnelle Verfügbarkeit der gespeicherten Energie, daher sind diese Systeme auch zur Kompensation von kurzfristigen Störungen durch Wolkendurchgänge geeignet. Dies ist insbesondere für konzentrierende Kollektorsysteme von Bedeutung, da hier die Direktstrahlung genutzt wird.

Latentwärmespeicher

Latentwärmespeicher nutzen die mit Phasenwechseln verbundenen Energieänderungen zur isothermen Wärmespeicherung. Vorteilhaft ist der Einsatz derartiger Speicher insbesondere bei Anlagen, die Prozessdampf benötigen bzw. bei Kollektoren, in denen das Wärmeträgermedium verdampft wird. Die Temperatur des Phasenwechsels liegt zwischen den Arbeitstemperaturen der Kollektoren und des Prozesses. Für den Temperaturbereich zwischen 100°C und 300°C wird z.Z. eine Reihe von Materialien im Hinblick auf ihre Eignung als Latentspeichermedien untersucht. Neben Salzen werden auch Zuckeralkohole und Materialien mit einem Fest-Fest-Phasenwechsel untersucht. Die Basismaterialien weisen niedrige Werte für die Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch die Leistungsdichte begrenzt wird. Um die Leistungsdichte zu erhöhen werden verschiedene Konzepte verfolgt, die auf einem der beiden Ansätze beruhen:

• Zusatz einer Komponente mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Graphit), um ein Composite-Material mit ausreichend hoher Wärmeleitfähigkeit zu erhalten
• Verringerung der Distanzen für den Wärmetransport im Speichermedium z. B. durch Kapselung oder durch Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche durch Rippen.

Für die Herstellung von Composite Materialien gibt es verschiedene Optionen: Bei der Infiltration wird das Latentspeichermedium im flüssigen Zustand von einer porösen Struktur aufgenommen, die aus der Komponente hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Alternativ dazu können die beiden Komponenten auch vermischt werden, wobei das Latentspeichermedium auch im festen Zustand vorliegen kann.
Bei der Kapselung von Latentspeichermaterial können entweder flexible oder druckfeste Hüllen verwendet werden. Flexible Hüllen sind kostengünstiger, können allerdings nicht für korrosive Speichermedien eingesetzt werden.

Aktuelle Projekte

Am Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) werden die folgenden Speichersysteme für den Temperaturbereich >100°C im Rahmen verschiedener Projekte untersucht:
Es werden Fluidspeicher mit flüssigem Salz auf Basis von Na-K-N03 Salzmischungen als Speichermedium untersucht. Hierzu zählen die wärmetechnische und strömungsmechanische Auslegung der Speicherbehälter, Materialuntersuchungen und Verfahrenstechnik. Derartige Speicher werden derzeitig für den Einsatz in Rinnenkraftwerken projektiert [3].
Für die Entwicklung und Erprobung eines Feststoffspeichers wird temperaturfester Beton als Speichermedium eingesetzt [3]. Die Experimente werden von Simulationsarbeiten zur optimierten Anpassung des Speichers an Kollektoren und Kraftwerksprozess ergänzt [4]. Neben dem Nachweis der technischen Machbarkeit und der Entwicklung einer kostenoptimierten Auslegung soll die optimale Kraftwerksintegration aufgezeigt werden.
Im Mittelpunkt der Entwicklung von Latentwärmespeicher und Dampfspeicher stehen Dampfspeicher wie sie in der Prozessindustrie beispielsweise bei der Herstellung von Porenbeton Verwendung finden. Durch Verwendung von Latentspeichermaterialien soll die Kapazität der Speicher erhöht und der produktspezifische Energiebedarf gesenkt werden. Auf den Bereich Kraftwerkstechnik ist die Entwicklung von wirtschaftlichen Speichersystemen für Solarkollektoren mit direkter Dampferzeugung im Bereich 30 – 100 bar fokussiert. Aktuell werden verschiedene Auslegungskonzepte parallel untersucht und im Labormaßstab getestet. In der Endphase des Projektes wird ein Testspeicher an Solarkollektoren angeschlossen [5].
Vergleich der Speicherkonzepte
Die Relevanz der von den Solarkollektoren und dem Prozess vorgegebenen Randbedingungen für die Auslegung eines Speichersystems soll anhand eines Modellbeispiels gezeigt werden, bei der Prozessdampf bei 140°C, entsprechend einem Druck von 3.6 bar benötigt wird. Dies entspricht den Entladebedingungen des Speichers. Die geforderte thermische Leistung von 100 kW soll für die Dauer von einer Stunde zur Verfügung gestellt werden. Es werden dabei zwei Fälle unterschieden: Fall 1: die Solarkollektoren stellen Sattdampf bei 160 °C am Austritt zur Verfügung; Fall 2: die Solarkollektoren stellen Sattdampf bei 200 °C am Austritt zur Verfügung (siehe Tabelle 2).

Tabelle 2: Vergleich der Speicherkonzepte

In beiden Fällen erfordert der Latentwärmespeicher das geringste Speichervolumen, wobei der Vorteil für den Fall 1 mit geringer Temperaturdifferenz zwischen Kollektoraustritt und Prozessbedarf besonders gravierend ist.
Bei sensibler Wärmespeicherung sind die Speicherkosten näherungsweise proportional zum Speichervolumen. Daher werden Speichersysteme auf Basis sensibler Wärmespeicherung nur dann zu wirtschaftlich attraktiven Lösungen führen, wenn die zulässige Temperaturdifferenz zwischen Kollektoraustritt und benötigter Prozesstemperatur ausreichend groß ist.

Fazit

Thermische Speichersysteme stellen eine wesentliche Komponente zum optimierten Energiemanagement dar und erlauben den Einsatz solarer Energie auch für Anwendungen, bei denen eine störungsfreie Energieversorgung gewährleistet sein muss. Die Verfügbarkeit verschiedener Grundkonzepte ermöglicht die Anpassung des Speichers an eine Vielzahl unterschiedlicher Einsatzgebiete und Betriebsparameter. Die Festlegung des optimalen Speichersystems wird im Wesentlichen von den spezifischen Anforderungen von Kollektor und Anwendungsprozess bestimmt.

*) Dr. Wolf-Dieter Steinmann ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Leiter PCM Projekte am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. in Stuttgart, wolf.steinmann@dlr.de.
Dipl.-Ing. Dörte Laing ist wissenschaftliche Mitarbeiterin und projektleiterin Feststoffspeicher am gleichnamigen Institut.
Dr.Rainer Tamme ist wissenschafftlicher Mitarbeiter und Leiter der Abteilung Thermische Prozesstechnik am gleichnamigen Institut. (http://www.dlr.de/tt/institut/abteilungen/thermischept), rainer.tamme@dlr.de. [^]