Die European Energy Research Alliance hat ein Weißbuch zur Forschung und Entwicklung industrieller Wärmespeichertechnologie veröffentlicht

. Kürzlich hat das Joint Research Programme on Energy Efficiency of Industrial Processes (JP EEIP) der European Energy Research Alliance (EERA) das Weißbuch „Industrial Heat Storage: Supporting“ veröffentlicht the Transformation to Decarbonized Industry“, das den aktuellen Stand, Herausforderungen sowie Forschungs- und Entwicklungsvorschläge der industriellen Wärmespeichertechnologie vorstellt. Die Hauptpunkte sind wie folgt:

1. Mögliche Anwendungen der Wärmespeicherung in der Industrie

1. Industrielle Prozessheizung oder -kühlung

Abhängig von den klimatischen Bedingungen können industrielle Solaranlagen mit Wärmespeichersystemen kombiniert werden. Zu den vielversprechenden Anwendungen gehören: ① Für den Prozesswärmebedarf bei hohen Temperaturen (400 °C) kann elektrische Heizung in Kombination mit poröser Feststoffwärmespeicherung eingesetzt werden; ② Für den Warmwasser- und Prozessdampfbedarf mittlerer Temperatur (bis zu 200 °C) gibt es mehrere Optionen, darunter die Kombination von Industriewärmepumpen und Wärmespeicher sowie die Kombination von Solarheizsystemen und Wärmespeicher; ③Für industrielle Kältespeicher (unter 6 °C) können Kühlsysteme (wie Luftkühler oder Klimaanlagen), sensible Wärme oder Phasenwechselmaterial-Wärmespeichersysteme bereitgestellt werden. Niedertemperaturenergie, um Kältebedarfsspitzen zu Beginn eines neuen Prozesses zu decken Kühlkreislauf und nutzen kostengünstigen erneuerbaren Strom.

2. Nutzung industrieller Abwärme

Zu den vielversprechenden Anwendungen gehören: ① Kurzfristige Wärmespeicherung, bei der die Restwärme aus der Chargenverarbeitung zum Vorwärmen der nächsten Charge genutzt wird, um den Energieeinsatz zu reduzieren und die Energieeffizienz zu verbessern, und die verwendete Wärmespeichertechnologie von der verfügbaren Restwärme abhängt (z. B. exotherme Prozesse in der chemischen Industrie, die eine ausreichende Starttemperatur erfordern, wie z. B. Polymerisation oder Alkoxylierung), kann die kurzzeitige Wärmespeicherung auch das Potenzial der Fernwärme durch schwankende industrielle Überschusswärme verbessern; ② Langzeitwärmespeicherung, Industrieproduktion Die verbleibende Wärme im Prozess wird gespeichert, um im Winter Raumheizung für die Industriebasis bereitzustellen, oder an das Fernwärmenetz abgegeben, was eine Wärmespeichertemperatur von 70–120 °C erfordert oder zur Aufwertung der gespeicherten Niedertemperaturwärme,

3. Industrielle Backup-Wärmespeicher

Industrielle Backup-Wärmespeicher können im Notfall als unterbrechungsfreie Wärmeenergieversorgung eingesetzt werden, was eine schnelle Reaktion und hohe Zuverlässigkeit erfordert. Derzeit verlässt sich die Industrie hauptsächlich auf gasbefeuerte Kessel als Ersatzwärmequelle, und das Wärmespeichersystem kann Ersatzdampf liefern, wodurch der Einsatz von Dampfkesseln entfällt. Die derzeit auf dem Markt verfügbaren Produkte sind Dampfspeicher, während Phasenwechselmaterial-Wärmespeicher und thermochemische Wärmespeicherlösungen im Mittelpunkt der zukünftigen Entwicklung stehen. Für die Wärmespeicherung bei höheren Temperaturen können poröse Feststoffwärmespeicher verwendet werden, und in Zukunft können Hochtemperatur-Phasenwechselmaterialien und thermochemische Wärmespeicher entwickelt werden.

4. Industrielle thermische Stromversorgung

Zusätzlich zu Batterien können Wärmespeicher eine kostengünstige Lösung sein, um den zukünftigen Bedarf an hoher Leistung, hoher Kapazität und langfristiger Energiespeicherung zu decken. Die industrielle Wärmeenergieversorgung muss sich auf die Entwicklung mehrerer Technologien konzentrieren: ①Hochtemperatur-Carnot-Batterie mit Strom. Heizung speichert Wärme in porösen Feststoffen bis zu 800 °C. ②Mitteltemperatur-Carnot-Batterie, die mithilfe einer Wärmepumpe Strom in Wärme umwandelt, bis zu 200 °C. Zur Leistungssteigerung kann industrielle Abwärme als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt werden; ③Adiabatisches Druckluftsystem, erfordert eine Hochtemperatur-Wärmespeicherung (häufig unter Verwendung poröser Keramikfeststoffe).

2. Aktueller Stand und Herausforderungen der industriellen Wärmespeichertechnologie

1. Sinnvolle Wärmespeicherung

Sensible Wärmespeicher speichern oder geben Wärme ab, indem sie die Temperatur von Materialien erhöhen oder senken. Typische Wärmespeichermaterialien sind Wasser, Thermalöl, Gestein, Sandstein, Ton, Ziegel, Stahl, Beton und geschmolzenes Salz.

(1) Der technische Reifegrad (TRL) der flüssigkeitsbasierten sensiblen Wärmespeicherung hat Stufe 9 erreicht und wird hauptsächlich in Situationen eingesetzt, in denen die Kosten niedrig und der Platz nicht begrenzt sind und die Wärmespeicherdauer mehrere Stunden beträgt einige Tage. Die wichtigsten technischen Herausforderungen dieser Art von Technologie sind: ① Erhöhung der volumetrischen Energiedichte und damit Reduzierung des Platzbedarfs; ② Reduzieren Sie Temperatur und Druck und verlangsamen Sie die Korrosion der Salzschmelze. ③ reduzieren den Wärmeverlust aufgrund mangelnder Kompaktheit.

(2) Die feststoffbasierte sensible Wärmespeicherung TRL erreicht Stufe 7 und wird hauptsächlich in Situationen eingesetzt, in denen die Kosten niedrig und der Platz nicht begrenzt sind und die Wärmespeicherdauer mehrere Stunden bis mehrere Tage beträgt. Die wichtigsten technischen Herausforderungen dieser Art von Technologie sind: ① Gewichtsreduzierung und Erhöhung der volumetrischen Energiedichte, wodurch der Platzbedarf und das Systemgewicht reduziert werden; ② Verbesserung des Wärmeaustauschprozesses.

(3) Die sensible Wärmespeicherung TRL auf Basis unterirdischer Reservoirs wie Grundwasserleitern erreicht Stufe 7, die hauptsächlich für großflächige saisonale Wärmespeicherung unter 90 °C verwendet wird, und Wärme kann auch während des Ladens genutzt werden. Die wichtigsten technischen Herausforderungen dieser Art von Technologie sind: ①Reduzierung des Flächenbedarfs; ②Reduzieren Sie die Abhängigkeit von bestimmten geologischen Bedingungen. ③Reduzieren Sie den Wärmeverlust bei hohen Temperaturen. ④Startzeit verkürzen; ⑤Temperaturbereich erhöhen.

(4) Der bergwerksbasierte sensible Wärmespeicher TRL erreicht Stufe 7, der hauptsächlich zur großflächigen Wärmespeicherung im Temperaturbereich von 60-80°C für mehrere Wochen bis mehrere Monate genutzt wird und die Wärme auch während dieser Zeit genutzt werden kann Aufladen. Die wichtigsten technischen Herausforderungen dieser Art von Technologie sind: ①Reduzierung des Flächenbedarfs; ②Verbesserung der Wärmespeichereffizienz und Verbesserung des Einflusses des Wärmespeichertemperaturniveaus und der Schichtungseigenschaften.

2. Latentwärmespeicher

Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel von Speichermaterialien. Typische Phasenwechselmaterialien sind Eis, Paraffin, Fettsäuren, Zuckeralkohole, Salzhydrate, anorganische Salze und Metalle. Der TRL dieser Technologie liegt bei 4–7, sie wird hauptsächlich in kleinen Wärmespeichern eingesetzt und die Wärmespeicherdauer beträgt mehrere Stunden bis mehrere Tage. Die wichtigsten technischen Herausforderungen dieser Art von Technologie sind: ① Erhöhung der Wärmeübertragungsrate; ② Verbesserung des Standardisierungs- und Kommerzialisierungsprozesses von Phasenwechselmaterialien; ③ Verbesserung der Vielseitigkeit der Lösungen; ④ Verbesserung der Haltbarkeit von Phasenwechselmaterialien; ⑤ Verbessern Sie die Reinheit von Wärmespeichermaterialien.

3. Adsorptionswärmespeicher

Die Adsorptionswärmespeicherung basiert auf reversiblen Gas-Feststoff-Reaktionen zwischen Adsorbaten (Gasen) und festen oder flüssigen Adsorbentien, typischerweise bei Temperaturen unter 200 °C. Die Adsorptionswärme dieses reversiblen Adsorptions-/Desorptionsprozesses ist in der Regel größer als die der sensiblen und latenten Wärmespeicherung, was den Vorteil hat, dass Wärme über einen langen Zeitraum mit minimalem Wärmeverlust gespeichert werden kann. Typische feste Sorptionsmittel umfassen poröse strukturierte Materialien wie Zeolithe, Kieselgel und aktiviertes Aluminiumoxid, die Gase wie Wasser oder Ammoniakdampf adsorbieren/desorbieren können; Typische flüssige Sorptionsmittel sind konzentrierte Salzlösungen wie Lithiumchlorid, Lithiumbromid und wässrige Natriumhydroxidlösungen. Der TRL der Adsorptionswärmespeicherung beträgt 6-8, was hauptsächlich bei begrenzten Platzverhältnissen verwendet wird. und die Wärmespeicherdauer beträgt mehrere Stunden bis mehrere Monate. Die wichtigsten technischen Herausforderungen dieser Art von Technologie sind: ① Erhöhung der kommerziellen Materialien, die über 200 °C verwendet werden können; ② Nutzung der erzeugten Kälteenergie zur Verbesserung der Effizienz; ③ Reduzieren Sie den Temperaturunterschied zwischen Laden und Entladen.

4. Thermochemische Wärmespeicherung

Thermochemische Wärmespeicher basieren ebenfalls auf reversiblen Gas-Feststoff-Reaktionen, ähnlich wie Adsorptionswärmespeicher, und haben daher ebenfalls den Vorteil geringer Wärmeverluste, weisen jedoch eine höhere Wärmespeicherdichte und geringere Kosten auf. Der wesentliche Unterschied zur Adsorptionswärmespeicherung besteht darin, dass das Gas direkt vom Festkörpergitter absorbiert wird und dadurch die Kristallstruktur verändert. Wenn die Temperatur unter 200 °C liegt, verwenden Sie zur thermochemischen Wärmespeicherung feste anorganische Salze und Gase, wie z. B. Calciumchlorid und Wasserdampf oder Strontiumchlorid und Ammoniakdampf; Verwenden Sie im Temperaturbereich von 250–600 °C Hydroxid zur Bildung (z. B. Calciumoxid/Calciumhydroxid) und Karbonisierungsreaktion (z. B. Calciumoxid/Calciumcarbonat) zur Wärmespeicherung. im Temperaturbereich von 800-1800°C können Oxidationsreaktionen zur Wärmespeicherung genutzt werden, wie Bariumperoxid/Bariumoxid oder Eisen/Eisenoxid. Der TRL der thermochemischen Wärmespeicherung beträgt 4-6, was vor allem bei begrenzten Platzverhältnissen zum Einsatz kommt und die Wärmespeicherdauer mehrere Stunden bis mehrere Monate beträgt. Die wichtigsten technischen Herausforderungen dieser Art von Technologie sind: ① Verbesserung der Haltbarkeit und Stabilität von Materialien; ② Beseitigung des Problems der Agglomeration/Agglomeration; ③ Reduzierung des Temperaturunterschieds zwischen Laden und Entladen.

3. Neue Lösungen für die Wärmespeichertechnologie

1. Solide sensible Wärmespeicherung

Feste sensible Wärmespeichersysteme bieten eine zuverlässige und sichere Methode zur Speicherung von Hochtemperaturwärme. Zu den neuen Technologien gehören Betonwärmespeicher und Festbettwärmespeicher. Das norwegische Unternehmen EnergyNest hat ein modulares Wärmespeichersystem auf Basis von hochleitfähigem Beton namens Heatcrete® entwickelt und demonstriert, das kürzlich im Dampfrohrnetz einer Chemiefabrik in Norwegen eingesetzt wurde und in der Ziegelfabrik und der Firma Senftenbacher zum Einsatz kommen wird Österreich im künftigen GuD-Kraftwerk Sloecentrale in den Niederlanden. In der Kano-Batteriepilotanlage von Siemens Gamesa kommt ein 740 °C heißer Basalt-Festbett-Wärmespeicher mit einer Wärmespeicherkapazität von 130 MWh zum Einsatz; Das Stahlrecyclingwerk von ArcelorMittal in Spanien nutzt auch die Abwärmerückgewinnung aus Festbettwärmespeichern.

2. Phasenwechselmaterialien zur Wärmespeicherung

Bei der Neuentwicklung von Phasenwechselmaterialien für die Wärmespeicherung handelt es sich um Hochtemperatur-Phasenwechsel-Wärmespeichermaterialien, deren Schmelztemperatur 100 °C übersteigt, wie z. B. Nitrat-Eutektikum, Dicarbonsäure, Zuckeralkohol und sogar Metallmaterialien. In den letzten Jahren wurde viel an der Verbesserung der Wärmespeicherleistung von Phasenwechselmaterialien geforscht, beispielsweise durch die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit durch Zugabe leitfähiger Füllstoffe und dadurch die Steigerung der Lade-/Entladerate. Durch die Reduzierung der Wärmeübertragungsfläche (z. B. Metallrippen) können kompaktere und kostengünstigere Wärmespeichersysteme gebaut werden. Darüber hinaus werden neue hochtemperaturbeständige Verpackungsmaterialien entwickelt, um die Anwendungsaussichten von Hochtemperatur-Phasenwechsel-Wärmespeichermaterialien zu verbessern.

3. Thermochemische und Adsorptionswärmespeicherung

Thermochemische und Adsorptionswärmespeichertechnologien entwickeln Verbundwerkstoffe mit hoher Energiedichte und Stabilität. Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung erforscht das Verbundmaterial und seine Herstellungstechnologie durch Zugabe von Salz in die poröse Matrix mit dem Ziel, die Energiespeicherdichte zu erhöhen, die Adsorptions-/Reaktionsstabilität zu verbessern und gleichzeitig die Lebensdauer zu verlängern. Darüber hinaus wurden Beschichtungstechnologien entwickelt, um ein Zusammenbacken oder Pulverisieren thermochemischer Materialien zu verhindern. Das schwedische Energieunternehmen SaltX Technology hat die Machbarkeit dieses Vorhabens bestätigt. Das Unternehmen hat ein nanobeschichtetes Salz für ein thermochemisches Wärmespeichersystem namens EnerStore entwickelt, das mit kostengünstigen Materialien eine mehrfache Ladung/Entladung ermöglicht. Verkehr, Ein System, das auf einer thermochemischen Reaktion zwischen Kalziumoxid und Wasser/Dampf basiert, wurde für Power-To-Heat im Vattenfall-Heizkraftwerk in Berlin pilotiert und ist seit März 2019 im Einsatz. Seine Wärmespeicherkapazität beträgt 10 MWh, der Gesamtwirkungsgrad der Elektroheizung beträgt 72 % bis 85 % und das theoretische Maximum liegt bei 92 %, wodurch die Wärmefreisetzungsrate und -höhe mit hoher Präzision gesteuert werden kann.

4. Erweiterte Simulation

Durch die Entwicklung von Simulationsmodellen kann die Anwendung von Wärmespeichersystemen in integrierten industriellen Energiesystemen effektiv unterstützt, Wärmespeichersysteme schnell entworfen und Sensitivitätsanalysen für innovative Konfigurationen durchgeführt werden. Beispielsweise wurde im Bereich der Latentwärmespeicherung eine simulationsbasierte Leistungsbewertung von Systementwürfen neu entwickelt. Insbesondere für industrielle thermochemische Wärmespeichersysteme kann die Kinetik thermochemischer Reaktionen im Reaktor- und Prozessdesign durch fortschrittliche nichtparametrische Modelle vorhergesagt werden. Die Effizienz des Gesamtsystems kann durch den Austausch der ursprünglichen Adsorptionseinheit als Teil eines Hybrid-Adsorptions-/Kompressionskühlers verbessert werden. Das System erhöht die Nutzung erneuerbarer Energien durch die Kombination von thermischer und elektrischer Energie.

4. Integration industrieller Wärmespeichersysteme

1. Elektrische Heizung und Stromerzeugung (Power-to-Heat-to-Power)

Die Elektrifizierung der industriellen Produktion ist zum Schwerpunkt von Forschung und Anwendung geworden, doch der Ersatz von industriellem Prozessbrennstoff durch elektrische Energie wird Probleme im Zusammenhang mit schwankender Stromversorgung und Netzkapazität verursachen, die durch Energiespeichersysteme gelöst werden müssen. Bisher mangelt es an kostengünstigen Energiespeichersystemen, die nicht an geografische Standorte gebunden sind. Als vielversprechende Lösung gilt Power-to-X-to-Power (PXP), bei dem elektrische Energie in andere Energieträger umgewandelt, gespeichert und bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Heizstromerzeugung (Power-to-Heat-to-Power) ist eine kostengünstige Option für PXP, auch bekannt als Carnot-Batterielösung. Siemens Gamesa hat eine erfolgreiche Demonstration durchgeführt. Sein Carnot-Batteriespeicher in Hamburg Das Wärmekraftwerk wurde im Sommer 2019 in Betrieb genommen und nutzt ein Basaltschüttbett zur Wärmespeicherung sowie Luftbeladung durch Elektroheizungen und Gebläse. Das System nutzt einen Dampf-Rankine-Zyklus, um gespeicherte Wärme in elektrische Energie umzuwandeln, mit einem elektrothermisch-elektrischen Wirkungsgrad von 45 % und einer maximalen Stromerzeugung von 1,5 Megawatt.

2. Sanierung bestehender Kraftwerke

Integrierte Wärmespeichersysteme können auch dazu beitragen, bestehende Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen nachzurüsten, insbesondere Kohlekraftwerke, die im Rahmen der CO2-Reduktionsziele teilweise stillgelegt werden müssen. Beispielsweise wandelt das deutsche I-Tess-Projekt den überschüssigen Strom bestehender Kohlekraftwerke in Wärme um und nutzt den Dampfkreislauf des Kraftwerks zur Umwandlung von Wärmeenergie, wenn Strom knapp ist. Das deutsche Store To Power-Projekt entwickelt eine Pilotanlage zur thermischen Speicherstromerzeugung, die ein bestehendes Kohlekraftwerk mit einem Hochtemperatur-Wärmespeicher einschließlich elektrischer Heizung und einem Dampferzeuger kombiniert, der etwa 10 % des Dampfes im Dampf transportieren kann Kreislauf eines Kohlekraftwerks. Siemens Gamesa ist eines der führenden Unternehmen, das sich der Transformation von Kohlekraftwerken widmet. Durch die Integration des Wärmespeichersystems Es kann unter Einspeisung fluktuierender erneuerbarer Energien Strom, Wärme oder Dampf bereitstellen. Es wurde bereits ein 30-MW-Basalt-Wärmespeichersystem realisiert. Demonstration.

5. Technische Handlungsvorschläge

Um die großflächige Einführung der industriellen Wärmespeicherung zu erleichtern, sind sofortige technische Maßnahmen erforderlich, insbesondere für die Vorkommerzialisierungsphase (Phase P) und die Kommerzialisierungsphase (Phase C), die Folgendes empfehlen: (1)

Durchführung Forschungs- und Entwicklungsprojekte zur industriellen Wärmespeicherung (P-Phase), die sich auf die oben genannten technischen Herausforderungen konzentrieren.

(2) Durchführung technischer und wirtschaftlicher Forschung zur Wärmespeicherung und ihrer industriellen Anwendung (P-Stufe), einschließlich: ① Anwendung der Wärmespeichertechnologie bei der Strom-Wärme-/Kältestromerzeugung aus erneuerbaren Energien, wie z. B. Carnot-Batterie; ② Im Bereich der erneuerbaren Energien wird die Wärmespeichertechnologie beim elektrischen Heizen/Kühlen eingesetzt, um schwankende Stromversorgung mit dem industriellen Wärmebedarf in Einklang zu bringen. ③ Nutzung von Geothermie und Solarenergie zur Deckung des Wärmebedarfs; ④ Rückgewinnung, Speicherung und Nutzung industrieller Abwärme; ⑤ Wärmespeicherung in industriellen Kühl- und Kühlkettenanwendungen; ⑥ Wärmespeicher als zuverlässiges Backup-System nutzen, wenn andere Heiztechnologien ausfallen.

(3) Identifizieren und teilen Sie Anwendungen, bei denen die Wärmespeicherung wirtschaftliche, ökologische und betriebliche Vorteile gegenüber anderen Formen der Energiespeicherung (Batterien oder Wasserstoff) bietet (Phase P).

(4) Entwicklung und Betrieb von Demonstrationsprojekten zur Wärmespeicherung und Bereitstellung von Open-Access-Ergebnissen und -Daten (Phase P).

(5) Aktiver Austausch bewährter Verfahren und Verbreitung von Wissen und Daten an die Industrie, politische Entscheidungsträger und andere Interessengruppen durch Veröffentlichungen, Reden und andere Formen des Medienengagements (Phase P).

(6) Entwicklung einer zugänglichen Datenbank für Wärmespeichermaterialien mit einheitlichen Leistungskennzahlen (Phase C).

(7) Zusammenarbeit mit Regulierungsbehörden, Berufsverbänden und der Industrie zur Entwicklung standardisierter Wärmespeichersysteme (Phase C).