Energiespeicher

Zentrales Thema für unser zukünftiges Energieversorgungssystem werden Energiespeicher sein. Nur wenn der erzeugte Strom intelligent gespeichert werden kann, wird die Energiewende erfolgreich sein. Mit seinen innovativen Speicherkonzepten leistet das SIJ bereits heute einen wichtigen Beitrag für eine verlässliche Energieversorgung.


Abteilungsleiterin

Dipl.-Ing. Anette Anthrakidis M.Eng.


Raum N101
T: +49.241.6009 53507
F: +49.241.6009 53570
anthrakidis(at)sij.fh-aachen.de | Homepage |

Projekte

VeSuW

Versuchsanlage für Schüttgut und Wärme

Projektbeginn: Juli 2019

Eine Kernaufgabe für dauerhaft verfügbaren und günstigen Strom ist die Kostenreduktion in der Wärmespeicherung von Solarenergie. Hierzu hat das SIJ einen neuartigen Luft-Schüttgut Wärmeübertrager entwickelt, der sich im Gegensatz zu den auf dem Markt erhältlichen Systemen, durch den direkten Stoffkontakt auszeichnet. Der bessere Wärmeübergang aus dem direkten Kontakt steht dabei den Herausforderungen der strömungstechnischen Phänomenologien gegenüber.

Im Projekt VeSuW wird der Luft-Schüttgut Wärmeübertrager gemeinsam mit lokalen Projektpartnern zur Marktreife vorangetrieben. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Temperaturverhalten der Werkstoffe (800° Temperaturdifferenz), der Lebensdauer und Betriebskosten, sowie der Optimierung des Wärmeübertragungsprozesses. Fundiert erforscht wird dies durch die Kombination von numerischen Simulationen mit umfänglichen Experimenten im Labormaßstab. Finales Ziel ist dabei der Innovationstransfer mit Anhebung des Entwicklungsstatus auf die nächste Ebene.

Projektpartner:

  • Hilger GmbH
  • Grenzebach BSH

Gefördert durch:

  • Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
 

StoreToPower - Phase 1

Stromspeicherung in Hochtemperatur-Wärmespeicherkraftwerken

Projektlaufzeit 01.01.2019 - 30.09.2021

Wie kann die Versorgungssicherheit auch ohne Kohlekraftwerke gewährleistet werden? Was passiert mit den Kraftwerken nach dem Kohleausstieg? Wie kann der Ausstieg sozialverträglich gestaltet werden? StoreToPower kann zu der Lösung dieser Probleme einen wesentlichen Beitrag liefern.

In dem Projekt wird der Umbau eines Kohlekraftwerkes zu einem Wärmespeicherkraftwerk projektiert. Ein Wärmespeicherkraftwerk stellt ein erweitertes thermisches Kraftwerk dar, bei dem ein Wärmespeichersystem parallel zum klassischen Dampferzeuger geschaltet wird. Das Wärmespeichersystem nutzt Strom in Niedrigpreisphasen, um die elektrische Energie in Form von sensibler Wärme mittels elektrischer Heizung in Salzschmelze zu speichern. Bei hohen Strompreisen kann die Wärme unter Nutzung der vorhandenen Infra-struktur (Dampfkreislauf mit Turbine, Kondensator, Generator und Kühlsystem) wieder verstromt werden. Dieses Konzept trägt dazu bei, volatilen Strom (mit dem weiteren Ausbau der Erneuerbaren in Zukunft zunehmend) zur Bereitstellung steuerbarer und gesicherter Leistung zu nutzen. Langfristig könnte die Kohlefeuerung komplett durch den Speicher ersetzt werden. Das Ziel besteht in der Entwicklung und Demonstration CO2-freier/armer Wärmespeicherkraftwerke, die eine 100%ige Versorgungssicherheit bei minimalem CO2-Ausstoß für die Energiewende ermöglichen.

Zum weltweit ersten Mal soll im Projekt StoreToPower ein derartiges Konzept an einem Kraftwerk der RWE AG erprobt werden. Das Projekt steht am Solar-Institut Jülich in direkter Nachfolge zur ebenfalls vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen geförderten I-TESS Studie aus dem Jahr 2017. Die Aufgabe des SIJ in dem aktuellen Projekt besteht in der Entwicklung von Referenzkonzepten zur Erweiterung/Umbau von Kohlekraftwerken mit Kraft-Wärme-Kopplung durch Hochtemperatur-Wärmespeicher und deren techno-ökonomischen Bewertung. Außerdem wird eine Lebens-zyklusanalyse (LCA) zum Wärmespeichersystem durchgeführt. Es werden ferner dynamische Simulationen für den elektrischen Salzerhitzer durchgeführt. Für die wirtschaftliche Betrachtung wird eine Bedarfsana-lyse für Wärmespeicherkraftwerke im europäischen Verbundnetz sowie eine Abschätzung des Marktpotenzials für an Fernwärmenetze gekoppelte Wärmespeicherkraftwerke vorgenommen. Das Institut NOWUM Energy der FH Aachen erstellt dabei zukünftige Strompreisszenarien und Marktpotenziale mittels verschiedener stochastischer Modelle. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Planung einer Pilotanlage ein.

SWS

Strom-zu-Wärme-Technologien mit Salzspeicher für den Einsatz in der Industrie und in PV CSP-Hybridkraftwerken

Projektbeginn: Mai 2018

Der Industriesektor bezieht etwa 30 % des Endenergiebedarfs der Bundesrepublik Deutschland. Davon wird etwa 66 % für die Erzeugung von Prozesswärme verwendet, dabei fallen oft große Mengen an Abwärme an. Mit einer neuen innovativen Technologie - einer Hochtemperatur-Wärmepumpe in Kombination mit einem Salzspeicher - wird Abwärme auf eine Temperatur von bis über 500 °C gebracht und gespeichert. Die Entladung des Speichers erfolgt dabei abhängig vom Bedarf. Als Referenz zur untersuchenden Strom-zu-Wärme-Technologie wird ein kommerzieller Widerstandserhitzer zur Erzeugung von Wärme genutzt und diese ebenfalls in einer Salzschmelze zwischengespeichert. Beide Technologien ermöglichen auf diese Weise Überschussstrom aus den Erneuerbaren Energien zu nutzen und die Netzstabilität zu gewähren.

Da aus Nordrhein-Westfalen diverse Komponenten und Dienstleistungen für solarthermische Kraftwerke (englisch: Concentrated solar power, CSP) stammen, wird auch die Implementierung von "Power to Heat" (P2H) Technologien für CSP untersucht. Die aktuellen preiswerten PV-Module machen eine Kombination von auf PV-CSP-Hybridkraftwerken attraktiv. Innovativ hierbei ist, dass der PV-Strom zu einem bestimmten Anteil tagsüber für den Betrieb der P2H-Technologie eingesetzt und der Rest nach Bedarf in das Stromnetz mittels der CSP-Kraftwerkseinheit eingespeist werden kann.

Projektpartner:

    • TSK Flagsol
    • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.

    Gefördert durch:

    • Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen unter Einsatz von EFRE-Mitteln
     

    TESS 2.0

    Thermischer Stromspeicher

    • Projektlaufzeit 01.10.2017 - 30.09.2020

    Die Speicherung von Hochtemperaturwärme mit anschließender Verstromung in Dampfkraftprozessen ist aus solarthermischen Kraftwerken bekannt. In diesen Anwendungen wird die Hochtemperaturwärme durch konzentrierende Solarkollektoren eingesammelt. Die Idee beim thermischen Stromspeicher ist es die Beladung des Speichers statt mit Solarenergie mittels des Power-to-Heat Konzeptes aus Netzüberschussstrom zu realisieren. Im Gegensatz zum herkömmlichen Power-to-Heat Ansatz wird die Wärme jedoch auf einem höheren Temperaturniveau gespeichert (bis zu 1000°C) und kann somit in einem Wärmekraftprozess teilweise wieder rückverstromt werden. Der exergetische Wirkungsgrad des Power-to-Heat Prozesses kann dadurch deutlich erhöht werden.

    Vorteile:

    • Anders als bei Pumpspeicherkraftwerken kann ein thermischer Stromspeicher unabhängig von geographischen oder geologischen Voraussetzungen gebaut und betrieben werden.
    • Kompakte Bauweise
    • Verwendung von bekannten Komponenten und Technologien aus der Industrie (Elektroheizung), der konventionellen Kraftwerkstechnik (Turbinenkreislauf) und der Solartechnik (Hochtemperaturspeicher)
    • Synergien mit konventionellen Kraftwerken und vorhandener Infrastruktur
    • Gute Skalierbarkeit
    • Relativ geringe Kosten, vergleichbar mit Pumpspeicherkraftwerken und deutlich günstiger als Batteriespeicher
    • Deutlich höherer exergetischer Wirkungsgrad als bei herkömmlichen Power-to-Heat Anwendungen
    • Möglichkeit der Kraft-Wärme-Kopplung wodurch energetische Nutzungsgrade von über 80 % erreicht werden können

    Im dreijährigen Projekt wird auf dem Campus Jülich eine Versuchs- und Demonstrationsanlage nach diesem Prinzip errichtet. Vom Industriepartner Otto Junker GmbH wird dazu mit Unterstützung der B&S GmbH eine Elektroheizung nach dem Prinzip des Induktionsherds speziell für diese Anwendung entwickelt. Die Fa. Dürr Systems AG entwickelt den Wärmespeicher auf Basis von Keramikelementen, welche die Wärme bei ca. 1000°C speichern. Weiterer Projektpartner ist die Kraftanlagen München GmbH, die für die Gesamtanlagenplanung verantwortlich ist. Das Projekt wird vom Solar-Institut Jülich (SIJ) der FH Aachen koordiniert.

     

     

    Konzept der TESS Versuchsanlage

    Indiref

    Indirekt solar-beheizter Reformer zur Herstellung von Methanol

    Projektbeginn: 01.12.2016

    Kurzinformation: Entwicklung eines Receiver-Reaktor-Systems für eine indirekt solar beheizte Reformierung zur Herstellung von Methanol aus CO² und Erdgas

    Im Projekt "Indiref" wird ein Prozess der indirekt solar-beheizten Reformierung zur Herstellung von Methanol aus CO² und Erdgas weiterentwickelt. Die konventionelle Herstellung von Synstesegas, das Ausgangsprodukt für viele chemische Produkte wie zum Beispiel Methanol ist, verursacht signifikante CO² Emissionen. Beim Einsatz von konzentrierter Solarstrahlung lassen sich die Emissionen stark reduzieren. Ein CO² Recycling im Prozess reduziert die Emissionen weiter. So kann die Nutzung von Sonnenergie in den Bereich der Chemieindustrie ausgeweitet werden.

    Im Vordergrund stehen die Entwicklung des Reformierungsreaktors und eines modifizierten Solar-Receivers für diese Anwendung, welche technisch umgesetzt und unter solaren Bedingungen getestet werden kann. Zur Erreichung maximaler Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems wird parallel ein Prozesssimulationsmodell aufgebaut und anhand der Versuchsergebnisse validiert. Auf Basis dessen erfolgt eine virtuelle Hochskalierung des Prozesses, um das technisch-ökonomische Potenzial für eine Markteinführung zu bewerten.

    Projektpartner:

    • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
    • Hilger GmbH
    • Hille & Müller GmbH

    Gefördert durch:

    • Ministerium für Wirtschaft, Energie, Industrie, Mittelstand und Handwerk des Landes Nordrhein-Westfalen
    • Europäische Union - Investition in unsere Zukunft, Europäischer Fonds für regionale Entwicklung
    • EFRE.NRW - Investition in Wachstum und Beschäftigung

    EDITOR

    Evaluation of the Dispatchability of a Parabolic Trough Collector System with Concrete Storage

    Link zur EDITOR-Homepage: EDITOR

    Projektlaufzeit: 01.10.2015 bis 30.09.2018

    Die Zielsetzung von EDITOR ist es, die Grundlastfähigkeit sowie Leistungsfähigkeit eines solarthermisches Systems, das für kontinuierlichen Betrieb konzipiert ist, zu demonstrieren und zu verifizieren. Während der Projektlaufzeit wird ein System bestehend aus einem mittelgroßen Parabolrinnenkollektor, Betonwärmespeicher und Kessel auf Zypern errichtet. Mit dem System wird Sattdampf produziert und in das Dampfsystem eines Getränkeherstellers eingespeist.

    Der Parabolrinnenkollektor erhitzt mit einem innovativen Vakuumreceiver ein neuartiges, umweltfreundliches Thermoöl auf über 400 Grad Celsius. Ein innovatives neues Betonwärmespeichersystem speichert die gewonnene Wärme, um diese in Zeiten ohne (ausreichender) Direktsolarstrahlung für die Produktion von Sattdampf zu nutzen.

    Im Projekt werden sowohl die technischen Aktivitäten der Installation, Inbetriebnahme und dem Betrieb der Anlage, als auch kommerzielle Gesichtspunkte, wie zum Beispiel die Machbarkeit hinsichtlich Hochskalierung, die Identifizierung von zukünftigen Kunden und der begleitende Kommunikationsprozess mit dem potentiellen Markt, umgesetzt.

    Projektpartner:

    • protarget AG
    • Cyprus University of technology
    • CADE Soluciones de Ingeniería, S. L.
    • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.

    Gefördert durch:

    • Bundesministerium für Bildung und Forschung

    I-TESS

    Integration thermischer Stromspeicher in existierende Kraftwerksstandorte

    Projektlaufzeit: 01.10.2015 - 31.12.2016

    Resultierend aus dem Umbau des deutschen Stromsystems hin zu erneuerbaren, fluktuierenden Erzeugungsformen werden in den nächsten Jahrzehnten große Herausforderungen auf die verschiedensten Akteure zukommen. Im Projekt I-TESS wird analysiert, inwieweit thermische Speicher bei der bedarfsgerechten Bereitstellung von Strom und Wärme sowie bei der Stabilisierung des Stromnetzes Beiträge liefern können. Hierbei spielt neben der Nutzung alter Kraftwerksstandorte zum Aufbau neuartiger thermischer Stromspeicherkraftwerke auch die Integration thermischer Speicher in existierende Kohlekraftwerke eine entscheidende Rolle. Letzteres soll die Flexibilität heutiger Kohlekraftwerke drastisch erhöhen und damit zur bedarfsgerechten Stromproduktion entscheidend beitragen. Neben technischen Fragestellungen liegt ein weiterer Schwerpunkt des Projekts auf der Abschätzung der Investitionskosten und der wirtschaftlichen Erfolgschancen.

    Genauere Infos erhalten Sie in dem Flyer zum Projekt. Dazu klicken Sie bitte hier.

    BiStro

    Bauwerksintegrierte thermische Speicherung für das Lastmanagement von Stromnetzen mit hohem Anteil erneuerbarer Energiequellen

    Projektlaufzeit: September 2013 - Juni 2017

    Mit dem Fortschreiten der Energiewende werden die Stromnetze zunehmend mit fluktuierenden erneuerbaren Energieträgern durchdrungen. Dies bedingt die dringende Notwendigkeit zur Bereitstellung kostengünstiger Stromspeicher oder entsprechender Lastmanagement-Optionen.

    Im Rahmen dieses Vorhabens untersucht das Solar-Institut Jülich der FH Aachen gemeinsam mit seinen Forschungspartnern Viessmann, DuPont de Nemours, RWTH Aachen und Infrawest die Option der Energiespeicherung durch mit Wärmepumpen beheizte und mit thermischer Speicherfähigkeit ausgestattete Gebäude als Schnittstelle zwischen Strom- und Wärmemarkt. Dabei soll die Energiespeicherfähigkeit mit integrierten Latentwärme-Speichermaterialien deutlich erhöht werden. Eine erfolgreiche Umsetzung erfordert die Einbeziehung folgender Aspekte: Anpassung der Niedertemperaturwärmequelle, vorausschauende Regelung und gebäudeseitiges Lastmanagement, thermische Behaglichkeit, benötigte und zulässige Temperaturniveaus. Es wird ermittelt, wie Strombezugspreise an das Über- beziehungsweise Unterangebot angepasst werden müssen, so dass eine Refinanzierung der Zusatzinvestitionen erreicht wird.

    Bei erfolgreichem Projektabschluss steht dem Markt ein System zur Verfügung, mit dem einerseits eine hohe negative Regelleistung (ca. 5 GW bei 1 Million Anlagen) dezentral aktiviert und andererseits eine passive Speicherkapazität von einigen 100 GWh zum Ausgleich von Schwankungen der erneuerbaren Energiequellen bereitgestellt werden kann.

    Projektförderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

     
     

    PWP

    Prozessübergreifendes Wärmemanagement in Produktionsanlagen - am Beispiel der Papierfabrik von UPM in Hürth

    Projektlaufzeit: 01.09.2011 - 30.06.2015

    Ziel des Projektes ist eine umfassende Steigerung der Energieffizienz der Papierfabrik. Die notwendige neuartige Technologie soll vorbildlich für die gesamte Papierindustrie und andere Produktionszweige sein. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein von UPM patentiertes und innovatives Wärme-Wasser-Speichersystem in die bestehende Großanlage integriert. Dieses soll die im Produktionsprozess bis dato nicht genutzte Wärmemenge umfassend und gegebenenfalls zeitlich entkoppelt zurückgewinnen. Neben der Einsparung von Energie ist mit erheblichen Einsparungen im Frischwasser - und Abwasserbereich zu rechnen. Darüber hinaus kann die Abwassertemperatur deutlich gesenkt werden. Das Projekt verbindet so den Umweltschutz mit der Steigerung der Konkurrenzfähigkeit der Produktionsstätte. 

    Das Solar-Institut Jülich der Fachhochschule Aachen führt die wissenschaftliche Analyse und Optimierungsrechnungen durch und unterstützt die Partner UPM, Pöyry und Wallstein.

    Gefördert durch:

    • Europäische Union
    • Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen
    Zuluftanlage auf dem Dach der Papierfabrik

    SpOpt

    Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, des Nutzungsgrades sowie der Flexibilität und die Betriebsdauer des Speichersystems im Solarturm Jülich

    Projektlaufzeit: 01.07.2010 - 31.12.2013

    Mit dem solarthermischen Versuchskraftwerk Jülich (SVJ) wurde das weltweit erste Kraftwerk dieser Art in Deutschland gebaut. Dieses Projekt dient dem verbesserten Einsatz der Speichertechnologie und der damit verbundenen Senkung der Kraftwerksbetriebskosten. Schwerpunkt dieses Projektes ist mittels neuen nummerischen Simulationstools die Wirtschaftlichkeit, den Nutzungsgrad, die Flexibilität und die Betriebsdauer des Speichersystems zu erhöhen. Die Optimierungen sollen in einem innovativen Speichersystem-Konzept münden, der für den Einsatz in Solarturmkraftwerken prädestiniert ist.

    Projektpartner:

    •     KBA-MetalPrint GmbH | KBA
    •     Kraftanlagen München GmbH | KAM
    Schematische Skizze des thermischen Speichers | KBA-Clean Air GmbH

    HiTexStor

    High Temperatures heat Exchange and Storage

    Projektlaufzeit: 01.10.2010 - 31.12.2016

    Die Idee, Sand als Speichermedium für Wärmeenergie zu nutzen, ist Grundlage dieses Projektes. Die Beständigkeit bei hohen Temperaturen, die hohe Verfügbarkeit und die niedrigen Materialpreisen machen Sand zu einem hervorragenden Speichermaterial.Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Übertragung von Wärme aus bis zu 700°C heißer Luft in Sand.

    In Zusammenarbeit mit dem DLR wurden in Laborversuchen die Eigenschaften von verschiedenen Sanden und Schüttgütern auf ihre Eignung als Wärmeträgermedium und als Wärmespeichermaterial getestet. Darauf aufbauend wurde eine Versuchsanlage für eine direkte Wärmeübertragung von Luft auf Sand konzeptioniert und gebaut. Damit wird das Verhalten des Sandes im Betrieb untersucht.

    Dieser Wärmeübertrager soll eingesetzt werden um in Solarkraftwerken Schüttgut-Wärmespeicher zu realisieren. Ein weiterer Einsatzzweck ist bei Industrieprozessen zur Abluftwärme-Rückgewinnung denkbar.

     


    x