Хранение тепла

Хранение тепла на теплоэлектроцентрали Salzburg Nord
Накопители Alperia в Больцано

Хранение тепла является хранение для тепловой энергии ( накопления энергии ). Различие между магазинами для физического тепла , скрытых теплота магазинов и термохимических тепло магазинов. Системы аккумулирования тепла могут быть разного размера, от небольших децентрализованных систем до крупных центральных систем хранения. Они доступны как для краткосрочного, так и для сезонного хранения и, в зависимости от конструкции, могут поглощать и выделять низкотемпературное тепло для обогрева помещений или высокотемпературное тепло для промышленных применений. Помимо хранения тепловой энергии, наиболее важной целью систем аккумулирования тепла является разделение выработки и использования тепла с течением времени.

Типы аккумулирования тепла

Чувствительное аккумулирование тепла
Они изменяют свою «ощутимую» температуру в процессе зарядки или разрядки . Б. Буфер . Теплоемкость является одним из наиболее важных параметров в чувствительных материалов для хранения. Поскольку этот тип не претерпевает никаких фазовых изменений , его можно использовать в широком диапазоне температур, особенно в диапазоне высоких температур.
Скрытое хранение тепла
Они не изменяют свою «воспринимаемую» температуру в процессе зарядки или разрядки, но теплоноситель изменяет свое физическое состояние . Обычно это переход от твердого состояния к жидкости (или наоборот). Носитель данных можно загружать или выгружать сверх его скрытой теплоемкости , что только в этом случае приводит к повышению или понижению температуры.
Термохимическое хранение тепла или сорбционное хранение
Они сохраняют тепло с помощью эндотермических и экзотермических реакций, например Б. с силикагелем или цеолитами .

Кроме того, можно провести различие между открытыми так называемыми водоносными резервуарами, встроенными в землю, и обычными контейнерами.

характеристики

Степень использования
Степень использования хранилища определяется соотношением накопленной полезной энергии и энергии, подаваемой в хранилище. При использовании обычных резервуаров для хранения воды степень использования со временем снижается, поскольку тепло передается в окружающую среду. (Зависимости: поверхность резервуара для хранения, изоляционный материал и толщина, разница температур между средой хранения и окружающей средой, см. Также: постоянная времени ). Это не относится или в меньшей степени к термохимическим системам хранения тепла.
Плотность накопления энергии
Плотность накопления энергии описывает максимальное количество энергии ( теплоемкость ), которое может быть загружено в накопитель, по отношению к его объему (или массе) при данных условиях .
Время загрузки и разгрузки
Время, необходимое для добавления или удаления определенного количества энергии из накопителя.
Максимальная температура загрузки
Максимальная температура накопительного бака.
Возможные циклы памяти
Период между погрузкой и разгрузкой называется периодом хранения. Сумма времени загрузки, простоя и разгрузки представляет собой продолжительность цикла хранения.Если во время этого процесса происходят необратимые процессы, которые ухудшают емкость хранения, количество исполняемых циклов хранения ограничено. В случае сорбционного накопления (термохимического накопления тепла) это требование по существу относится к стабильности адсорбентов .

Области применения

Солнечный резервуар (в центре) в комплексе солнечных домов, состоящем из 5 зданий с 16 жилыми домами в Баварии. Покрытие солнечным светом составляет 65%.

Различают длительное и кратковременное хранение.

Длительное хранение тепла может, например, Б. Сезонное хранение тепла в низкоэнергетической солнечной тепловой . Наиболее важными типами являются: аккумуляторы тепла горячей водой (изолированные резервуары с водой), аккумуляторы тепла гравий / вода (изолированные резервуары со смесью гравия и воды), аккумуляторы геотермального тепла (нагревается грунт на глубину до 100 м) и аккумуляторы тепла водоносных горизонтов. (Подогреваются грунтовые воды и земля - ​​работает только с стоячими грунтовыми водами). Термохимические системы и системы аккумулирования скрытой теплоты также спроектированы как системы длительного хранения.

Системы краткосрочного хранения - это системы , которые сохраняют тепло только в течение нескольких часов или дней. Для этого в основном используются отдельно стоящие резервуары для хранения воды, но также могут быть подходящими резервуары для хранения термохимического тепла.

Регенераторы - это системы кратковременного хранения, в которых тепло генерируется прерывисто, а затем сохраняется и снова выделяется. Эти тепловые аккумуляторы часто используются для предварительного нагрева воздуха в отраслях промышленности, где выделяется очень большое количество отходящего тепла (например, в черной металлургии или в доменной печи ( печной газ ) в доменных печах). Регенераторы в двигателях Стирлинга должны временно сохранять тепло в течение нескольких миллисекунд.

Кратковременное хранение, также называемое сменным хранением, также используется в области промышленной солнечной тепловой энергии. Они аккумулируют солнечную энергию в течение нескольких часов, чтобы тепло было доступно для горячего водоснабжения или отопления даже в ночное время, или электричество можно было производить круглосуточно на солнечных тепловых электростанциях.

Еще одно применение краткосрочного хранения - это накопительные обогреватели , в которых электрическая энергия накапливается в течение ночи в виде тепла в шамотных кирпичах , которое на следующий день снова выделяется для обогрева квартиры. В 1970-х годах асбестосодержащие панели были обычным материалом в качестве материала, но их использование давно запрещено и может быть утилизировано только соответствующими специализированными компаниями во время ремонта. Торговое название «аккумулирование тепла» также является общим для отдельных устройств. Принцип сохранения тепла в камнях также используется в крупномасштабном эксперименте. Из-за избытка электричества гигантские, хорошо изолированные груды камней нагреваются до 600 градусов с помощью тепловентилятора, так что избыточная энергия сохраняется в виде тепла. Когда требуется электричество, вентиляторы всасывают горячий воздух из накопительного резервуара и направляют его в паровую турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие генератор. В 2019 году был введен в эксплуатацию электротермический накопитель энергии в Гамбурге на 1000 т породы, температура 750 ° C и емкость хранения 130 МВтч. Подобные системы, которые могут быть загружены горячим газом (включая выхлопные газы), также построены как мобильные системы аккумулирования тепла. Таким образом, обеспечивается не только временная развязка производства и использования тепла, но и пространственная развязка. Таким образом, избыточное тепло от сталелитейной, керамической или стекольной промышленности можно использовать для дальнейшего внешнего использования.

Помимо дифференциации по продолжительности хранения, часто можно найти информацию о диапазоне температур. До 2016 года различали хранение при низких температурах (<120 ° C) и при хранении при высоких температурах (> 120 ° C). С 2016 года эта область была расширена за счет хранения среднетемпературных хранилищ. Они используются при температуре 120–500 ° C, в то время как для высокотемпературных систем хранения используется диапазон> 500 ° C.

Вода для хранения тепла

Вода является отличным теплоносителем, поскольку она имеет очень высокую удельную теплоемкость и проста в обращении благодаря своей низкой вязкости и токсикологической безвредности. Ввод и отвод тепловой энергии несложны и дешевы.

Максимальная температура резервуара для хранения обычно ограничивается точкой кипения (которая зависит от давления в системе) посредством управления системой. Резервуар для хранения перегретой воды также называют резервуаром для хранения пара . Клапаны сброса давления или заданные точки разрыва обеспечивают контролируемое снижение давления до возникновения опасности взрыва .

Типичная область применения представляет собой буфер в системе отопления .

В рамках пилотного проекта в Швейцарии недалеко от Берна-Форстхауса предполагается пробурить геологический участок водяной мелассы на глубине 200–500 м и использовать его в качестве сезонного хранилища тепла. Подземные воды, которые отделены наверху, должны быть защищены от нагрева проходом трубок теплообменного контура с вакуумной изоляцией.

Steam-хранилище (Рут-хранилище)

Резервуар для хранения в основном (например, на 90%) заполнен кипятком . Остальное пространство над водой заполнено водяным паром той же температуры. Если отводится пар, начинается повторное испарение. Необходимое тепло исходит от кипящей воды. Падение давления и температуры. Вот почему говорят о накопительном баке на откосе. Его изобрел шведский инженер Иоганнес Рутс (1879–1935). Рабочий диапазон парохранилища определяется начальными и конечными параметрами (давлением и температурой), а также начальной степенью наполнения кипящей водой. Решающим параметром хранения является соотношение количества пара, которое может быть отобрано на объем хранения. Его можно рассчитать с заданными граничными условиями. После достижения минимального давления нагнетания тепло необходимо вернуть в паровой аккумулятор. Как правило, это делается путем введения водяного пара , при этом давление должно быть выше давления отбора в начале истощения. Типичные применения используются для выравнивания потребления пара, которое в промышленных процессах может сильно колебаться по технологическим причинам.

Хранение при высоких температурах (HTS)

Системы высокотемпературного хранения представляют собой системы краткосрочного хранения и обычно состоят из керамических или, что еще лучше, металлических соединений. Они отличаются высокой огнестойкостью, термостойкостью и удельной теплоемкостью. В большинстве случаев они просто устанавливаются в отопительные котлы (постоянная температура, низкие температуры, паровые и водогрейные котлы), не повреждая их содержимое. Они нагреваются пламенем горелки. Если горелка выключается, HTS теперь непрерывно передает накопленную тепловую энергию в систему отопления. Это означает, что повторное включение горелки может быть отложено. Среди прочего, Институт технической термодинамики Немецкого аэрокосмического центра (DLR) в настоящее время продвигает исследовательские усилия в Германии по использованию этой технологии для хранения тепловой энергии, вырабатываемой на электростанциях.

Скрытое хранение тепла

Известные представители скрытого аккумулирования тепла: регенерируемые грелки для рук, слева в жидкости и справа в кристаллизованном состоянии.

Системы хранения скрытого тепла работают за счет использования энтальпии обратимых термодинамических изменений в состоянии среды хранения, таких как Б. фазовый переход твердое тело-жидкость (плавление / затвердевание).

Чаще всего используется принцип фазового перехода твердое тело-жидкость. Когда содержимое коммерческих систем аккумулирования скрытой теплоты загружается, в качестве накопителя обычно плавятся специальные соли или парафины, которые для этой цели поглощают большое количество тепловой энергии - теплоту плавления. Поскольку этот процесс обратим, носитель при затвердевании выделяет именно такое количество тепла. Кроме того, металлические носители, так называемые материалы изменяют металлическую фазы (английский м etallic Р Hase С висящим M aterials, МВС с ) может быть использована. Они характеризуются особенно высокой плотностью энергии из-за высокой максимальной температуры хранения и высокой тепловой мощностью из-за хорошей теплопроводности.

Использование скрытого накопления тепла для долгосрочного накопления солнечного тепла тепловой энергии на зиму связано с более высокими инвестициями в закупку, но оно более экономично и даже больше, чем использование резервуаров для воды или гравия из-за использования скрытых нагревать. Твердые парафины плавятся при температуре около 60 ° C, теплота плавления составляет 200–240 кДж / кг, что примерно на треть ниже теплоты плавления воды, а теплоемкость составляет около 2,1 кДж / (кг · K) вдвое меньше. что воды. Кроме того, есть преимущество, заключающееся в том, что две трети тепла постоянно сохраняются при фазовом переходе в течение нескольких месяцев. При проектировании резервуара для хранения парафина необходимо учитывать, что его объем уменьшается примерно на 30%, когда он переходит из жидкого состояния в твердое.

Вероятно, наиболее известным применением принципа аккумулирования скрытого тепла является регенерируемая карманная согревающая подушка для рук на основе перенасыщенного раствора тригидрата ацетата натрия. Одна из областей применения, которая в настоящее время открывается, - это интеграция систем аккумулирования скрытой теплоты на основе металлических материалов с фазовым переходом ( mPCM ) в аккумуляторно-электромобили. Добавленная стоимость электромобиля возникает в основном при низкой температуре наружного воздуха. Здесь необходимая мощность нагрева для регулирования температуры пассажирского отсека может обеспечиваться тепловым аккумулятором вместо тягового аккумулятора, что может снизить необходимую емкость аккумулятора или увеличить запас хода электромобилей зимой.

Термохимическое хранение

Термохимические аккумуляторы тепла используют преобразование тепла обратимых химических реакций: используемый теплоноситель изменяет свой химический состав при подаче тепла, и большая часть подаваемого тепла снова выделяется, когда преобразование инициируется извне. В отличие от буферизации и скрытых систем хранения тепла, термохимические системы хранения тепла позволяют почти без потерь хранения больших количеств тепла в течение более продолжительных периодов времени. Следовательно, они подходят для. B. в качестве сезонного накопителя для использования солнечной энергии в регионах с высокими сезонными перепадами температур.

За успешную демонстрацию использования термохимической сорбционной системы аккумулирования тепла в пассивном доме с солнечным термическим обогревом Институт им. Фраунгофера по системам солнечной энергии получил в 1999 году награду за инновации федеральных земель Берлин-Бранденбург.

Термохимические системы хранения были испытаны в технических приложениях еще в 19 веке. Одним из первых известных применений этой технологии стал локомотив с газировкой , который был принят на вооружение в 1883 году . Сегодня термохимические аккумуляторы тепла доступны во многих вариантах, включая самоохлаждающиеся пивные кеги . Тепловая мощность составляет до 300 кВтч / м3, в зависимости от типа технологии, и, таким образом, примерно в пять раз выше, чем у воды.

Другое использование

Пример расчета

веб ссылки

литература

  • Н. Фиш и др.: Накопление тепла , изд. из Fachinformationszentrum Karlsruhe, BINE Informationsdienst, 4-е, пересмотренное издание 2005 г., DIN A5, мягкая обложка, 120 страниц, TÜV Verlag 2005, ISBN 3-8249-0853-0 .
  • Андреас Хауэр, Стефан Хиблер, Манфред Ройсс: аккумулирование тепла. 5-е полностью переработанное издание, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-8366-4 (Основы различных технологий хранения, носители, экономическая эффективность)
  • Майкл Стернер , Инго Стадлер (ред.): Хранение энергии. Потребность, технологии, интеграция. 2-е издание, Берлин-Гейдельберг, 2017 г., ISBN 978-3-662-48893-5 .
  • Инновационные решения для аккумулирования тепла как важные строительные блоки для перехода к энергетике. В: Отопление, вентиляция / кондиционирование воздуха в зданиях (HLH) Том 66, № 2/2015, стр. 50–54.
  • Оптимизированные складские конструкции. В: Отопление, вентиляция / кондиционирование воздуха в зданиях (HLH) Том 65, № 2/2014, стр. 64–69.

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ См. Майкл Стернер, Инго Стадлер: Хранение энергии - спрос, технологии, интеграция . Берлин - Гейдельберг, 2014 г., стр. 535f.
  2. ↑ Теплая вода из солнечного резервуара . In: Main-Netz , 5 июля 2013 г. Дата обращения 10 мая 2014 г.
  3. ↑ Мир физики: Мир физики: Технология солнечных тепловых электростанций. Проверено 13 апреля 2018 года .
  4. ^ Даниэль Хаутманн: Возобновляемые источники энергии: Siemens открывает новый каменный век - Golem.de . 15 ноября 2017 г. ( golem.de [доступ 29 января 2018 г.]).
  5. ↑ Siemens Gamesa вводит в эксплуатацию хранилище вулканического камня. Проверено 12 августа 2020 года .
  6. ↑ Тепло в контейнере | Форум - еженедельный журнал. Проверено 13 апреля 2018 года .
  7. ↑ Пилотный проект «Геохранилище»: ewb подает заявку на разрешение на бурение ee-news.ch, 11 ноября 2017 г. - ТЭО предполагает реализацию 2 подобных проектов за рубежом.
  8. ↑ Бернд Глюк : Твердое накопление тепла + накопление градиента пара
  9. ↑ RWE Power начинает разработку высокотемпературных аккумуляторов тепла для электростанций комбинированного цикла . В: finanzen.net . 20 марта 2009 г. ( finanzen.net [доступ 29 января 2018 г.]).
  10. ↑ Йенс Лангер: Аккумулятор горячей или бытовой воды, имеющий как минимум два источника тепла . EP1798486, 29 августа 2012 г. ( freepatentsonline.com [доступ 29 января 2018 г.]).
  11. ↑ Увеличился ассортимент электромобилей зимой. В: Сайт Немецкого аэрокосмического центра. Проверено 17 мая 2018 года .
  12. ↑ http://www.ise.fraunhofer.de/geschaeftsfelder-und-marktgebiete/solarthermie/thermische-solaranlagen/projekte/saisonaler-sorptionsspeicher  ( страница больше не доступна , поиск в веб-архивах )  Информация: ссылка была автоматически помечена как дефектная . Пожалуйста, проверьте ссылку в соответствии с инструкциями, а затем удалите это уведомление.@ 1@ 2Шаблон: Toter Link / www.ise.fraunhofer.de