Energiespeichersysteme auf Basis eines Hochtemperatur-Regenerators (Q-Regenerator)

Hintergrund und Zielsetzung

Ein Ansatz zur nachhaltigen Energieversorgung urbaner Siedlungsstrukturen mit elektrischer Energie sind intelligente, dezentrale Energiesysteme mit hohen Anteilen an erneuerbaren Energien. Bei der fluktuierenden Einspeisung von Strom aus Wind und Sonne müssen aber in solchen Systemen geeignete Maßnahmen zur Spannungs- und Frequenzregelung getroffen werden. Die Umwandlung von überschüssigem Strom in Wärme (Power-to-Heat) stellt eine Möglichkeit dar, die Belastungen von Verteilnetzen wirksam zu vermindern. Die Nutzung der so erzeugten thermischen Energie (z.B. für Industrieprozesse oder für eine spätere Rückumwandlung in Strom) muss aber in der Regel durch eine Speicherung zeitlich von der Erzeugung entkoppelt werden können.

Ein möglicher Ansatz dafür ist ein Speichersystem mit einem porösen Speicherkern, einer elektrischer Widerstandsheizung zur Einkopplung und einer Einrichtung zur konvektive Auskopplung von sensibler Wärme durch ein Trägergas. Der als Regenerator betriebene keramische Kern des Speichersystems ermöglicht dabei hohe Temperaturen (HT über 1.000°C, und UHT über 1.400°C – 1.800°C) und damit eine Speicherung von thermischer Energie mit hoher Exergie auf kleinstem Raum.

Ziel des Vorhabens war eine Potentialanalyse für das Speichersystem zu erstellen und Kennwerten wie Leistungs- und Energiedichte sowie typische Verlustanteile des Verfahrens zu bestimmen. Im Vorhaben wurden verschiedene keramische Speicherkerne experimentell untersucht und als thermo-hydraulisches Speichersystem bewertet.

Vorgehensweise

 

Mit den Methoden der Simulation (DYMOLA, ANSYS) wurde, das Einkoppeln der Wärme in den Speicher, die thermischen Verluste über die Dämmung und das Verhalten des Trägergases beim Auskoppeln der Wärme untersucht.

Ergebnisse

 

Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hochtemperatur-Regeneratoren pro Kubikmeter Speicherkern bis zu 1.500 kWh thermische Energie eingespeichert und thermische Energie mit hoher Temperatur und einer Leistung von mehr als 8.000 kW wieder ausgespeichert werden kann.

Die Speicherdauer hat einen entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Simulationsstudien zeigen, dass bei Speicherdauern von max. 1 h mit mineralischen Dämmstoffen die Verluste auf ca. 10 % der eingespeicherten Energie begrenzt werden können, mit einer Supervakuumisolation ist dagegen erst nach 5 h mit Verlusten in dieser Größenordnung zu rechnen.

Ansprechpartner
Name Kontakt
Armin Dietz Armin Dietz
Peter Weigand Peter Weigand
M.Sc.
Publikationen

[1]

Opferkuch, F.; Greil, P.; Dietz, A.; Bonet, A.; Weigand, P.; Weclas, M.:
Q-Regenerator – Basic Principle of a Novel Ultra-High Temperature Heat Converter and Storage System.
iSEneC: Integration of Sustainable Energy Conference, Nuremberg (2016)