Modular aufgebauter Wärmespeicher

Ein modular aufgebauter Wärmespeicher inklusive einer intelligenten Thermoprozesssteuerung zur energetischen Nutzung industrieller Abwärme ist das Ergebnis des erfolgreich abgeschlossenen Forschungsprojekts "ModulHeatStore". Der Wärmespeicher ermöglicht die Zwischenspeicherung der in industriellen Prozessen des verarbeitenden Gewerbes anfallenden Abwärme, für die es keine sofortige Verwendung gibt.

Der Wärmespeicher ist speziell für die Nutzung von Hochtemperaturabwärme T > 1.000°C konzipiert. Aus dem Wärmespeicher ist sie zu einem späteren Zeitpunkt für die Produktionsprozesse bedarfsgerecht wieder abrufbar oder für nachfolgende Prozesse nutzbar, wie beispielsweise die Abwärmenutzung durch konventionelle Dampfkraftprozesse oder die Organic Rankine Cycle-Technologie (ORC) zur Stromgewinnung. Dies erhöht die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit bestehender und neuer Prozesse in produzierenden Unternehmen. Im Wärmespeicher sind mehrere Einzelmodule mit unterschiedlichen Speichermaterialien kombinierbar. Dadurch ist es möglich, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus anfallenden Abwärmeströme zum entsprechenden Modul zu leiten und bei jeweils angepassten und möglichst hohen Temperaturen zu speichern.

Das Hochtemperatur-Modul mit seinem keramischen Speicher aus Wabenkörpern oder Formsteinen speichert Hochtemperaturwärme zwischen 400 und 1.400 °C. Im Mitteltemperatur-Modul ermöglicht ein Phasenwechselmaterial (phase change material, PCM) die Wärmespeicherung bei einem Niveau bis etwa 400 °C bei gleichzeitig geringer Temperaturänderung. Im unteren Temperaturbereich dient ein Stein-/ Betonspeicher zur Wärmespeicherung von Wärme bei Temperaturen zwischen 200 und 600 °C.

Optimierung durch intelligente Steuerung

Die häufig schwankenden Temperaturen und Leistungen von Thermoprozessanlagen fängt eine im Projekt entwickelte intelligente Steuerung der Thermoprozesse in Kombination mit dem modularen Speicher auf, indem sie sich voll automatisch auf die Prozesse einstellt. Sie bezieht dabei die spezifischen Eigenschaften und Vorteile (Be-/Entladecharakteristika, Temperaturstabilität, Kosten, usw.) ein und enthält ein Verschaltungskonzept zur Kopplung der Einzelmodule und zur Einbindung des Speichers in bestehende und neue Prozesse. Die Steuerung des modular aufgebauten Wärmespeichers ist für die Kurzzeitspeicherung von Abwärme aus Betriebsschwankungen und Störungen von 30 Sekunden bis 15 Minuten besonders geeignet. Die für diese hohen Anforderungen entwickelte intelligente Prozesssteuerung ist auch auf Langzeitspeicher für längere Zeiträume bis zu 48 Stunden übertragbar. Ein Berechnungstool zur exakten Auslegung des modular aufgebauten Wärmespeichers und Optimierungsverfahren für die Dimensionierung und den Betrieb ergänzen die Entwicklung.

Die Projektpartner im ModulHeatStore-Projekt waren die OWI Science for Fuels gGmbH, der Institutsteil Dresden des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, die Hülsenbusch Apparatebau GmbH & Co. KG und die Gesellschaft für industrielle Wärme, Energie- und Prozeßtechnik mbH.

Das Forschungsvorhaben 16KN061424 wurde im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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