In der Industrie werden Speichertechnologien eingesetzt, um die Wärmeerzeugung und den Wärmeverbrauch zeitlich zu entkoppeln und dadurch die Effizienz und Flexibilität der industriellen Prozesse zu erhöhen. Dampfspeicher sind eine bewährte und weit verbreitete Technologie, die z. B. in der Nahrungsmittel-, Genussmittel-, Papier- und Metallindustrie genutzt wird. Durch die Speicherung und spätere Nutzung von Überschusswärme bzw. Abwärme sinkt der Gesamt-Wärmeerzeugungsbedarf im Produktionsprozess und der CO₂-Ausstoß reduziert sich. Die Flexibilität der Prozesse ist auch notwendig, um einen hohen Anteil an erneuerbaren Energiequellen integrieren zu können. Für die Dekarbonisierung und den Umstieg auf erneuerbare Energieträger in der Industrie werden thermische Energiespeicher mit weit grösseren Kapazitäten als bisher benötigt.

Innovatives Konzept

Mit HyStEPs wurde ein innovatives Hybridspeicherkonzept entwickelt und getestet, um mittelfristig die Speicherkapazität von sogenannten „Ruths-Dampfspeichern“ um bis zu 40 % zu erhöhen. Dazu wurde ein Speicher als Labormuster mit Latentwärmespeicherelementen ummantelt. Diese speziellen Speicherelemente enthalten Phasenwechselmaterial (PCM), in diesem Fall technische Salzmischungen, die eine hohe Speicherdichte aufweisen. Die PCM-Ummantelung ermöglicht es, bei annähernd gleicher Baugröße, deutlich größere Energiemengen zu speichern. Das Belade- und Entladeverhalten des Dampfspeichers soll auch bei der erhöhten Speicherkapazität möglichst unverändert bleiben. Die innovativen Lösungen wurden von einem Konsortium aus Forschungs- und Unternehmenspartnern unter der Leitung des AIT-Austrian Institute of Technology¹ entwickelt.

Folgende Aspekte standen im Zentrum des Projekts:
> thermische Anbindung der Latentwärmespeicherelemente an den Dampfspeicher
> Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Phasenwechselmaterials durch Wärmeleitstrukturen
> Korrosionsverhalten der Materialkombinationen
> Festigkeitsberechnungen
> neue Methoden zur mathematischen Modellierung und Simulation des Verhaltens von Hybridspeichern

Wirtschaftlichkeit

Es wurden detaillierte Bedarfsanalysen erstellt sowie erste techno-ökonomische Bewertungen anhand von fünf industriellen Prozessen verschiedener Branchen durchgeführt. Das Konzept sieht vor, dass die Investitionskosten für die Nachrüstung eines bestehenden Speichers zum Hybridspeicher nur die Hälfte eines äquivalenten Ruths-Dampfspeichers betragen. Da Ruths-Dampfspeicher viel Platz benötigen, ist die Erhöhung der Speicherkapazität mit einer PCM-Ummantelung eine innovative Alternative.

Testbetrieb bei voestalpine

Der Versuchsspeicher wurde in der Laborumgebung der voestalpine Donawitz aufgebaut und wird an diesem Standort getestet. Dazu wird Dampf aus dem bestehenden Dampfnetz abgezweigt und unter Laborbedingungen in den Speicher eingeleitet. Sowohl der Dampfspeicher als auch die PCM-Elemente sind dabei mit einer Vielzahl an Messgeräten verbunden, um zu jedem Zeitpunkt den thermodynamischen Zustand des Speichers erfassen und sein dynamisches Verhalten ermitteln zu können. Auf Basis der hier gewonnenen Erkenntnisse soll das Konzept weiterentwickelt und auf andere Speicher übertragen werden.
www.nefi.at/hysteps

¹ Projektpartner: AIT – Austrian Institute of Technology GmbH (Projektleitung), Edtmayer Systemtechnik GmbH, TU-Wien / Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung / Institut für Energietechnik und Thermodynamik / Institut für Mechanik und Mechatronik, voestalpine Stahl Donawitz GmbH
 
Ein Projekt im Rahmen der Vorzeigeregion Energie NEFI – New Energy for Industry
www.nefi.at