Modellierung und Vergleich thermodynamischer Energiespeichermethoden

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit wurden Energiespeicher für hohe elektrische Leistungen untersucht, in Prozesssimulations-Software modelliert und miteinander verglichen. Das Ziel ist, in Zukunft den Anteil der erneuerbaren Energien weiter erhöhen zu können. Zum einen wurden unterschiedliche Konzepte für elektrothermische Speicher, für kurze und mittlere Zykluszeiten gegenübergestellt. Zum anderen wurde auch ein thermochemischer Ammoniak-Speicher modelliert, der bei längeren Zykluszeiten, zum Beispiel saisonal, als Energiespeicher denkbar wäre. Außerdem wurde das kommerzielle Konzept der Methanisierung im Zusammenhang mit Power-to-Gas der Synthese von Ammoniak über den Haber-Bosch-Prozess gegenübergestellt. Dadurch soll die Konkurrenzfähigkeit von Ammoniak gegenüber Methan analysiert werden. Die elektrothermischen Speicher, welche mit verschiedenen Arbeitsfluiden, Speicherme-dien und Speichertemperaturen in der Prozesssimulations-Software Ebsilon Professional modelliert wurden, weisen Wirkungsgrade im Bereich von 41,6 % bis 56,3 % auf. Dabei konnte der Speicher mit Heißwasser als Speichermedium und moderaten Prozessbedin-gungen des Arbeitsfluides CO2 mit Abstand den besten Wirkungsgrad erzielen. Als weite-res positives Ergebnis können Hochtemperatur-Speicher mit bis zu 560C Speichertem-peratur und Rankine-Dampfkraftprozessen für die Entladung der Speicher erwähnt wer-den. Diese Technologie hat das Potential, alte Kraftwerks-Standorte wiederzubeleben und somit bestehende, hocheffiziente Turbomaschinen wiederverwenden zu können. Mit im Zuge der Arbeit erzielten Wirkungsgraden von fast 50 % könnte sich auch diese Speicher-art als wichtiger Schritt hin zu einem höheren Anteil an erneuerbaren Energien entpuppen. Beim mit Aspen Plus simulierten thermochemischen Ammoniak-Speicher wurde ausge-hend von einer Basisvariante einerseits der Speicherund andererseits der Prozess-Druck variiert. Der zweiteilige Prozessaufbau mit Rezyklierung der nicht umgesetzten Stoffe und Rankine-Dampfkraftprozess zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie erreichte ei-nen Wirkungsgrad von maximal 26,9 %. Große Verlustenergiemengen fielen dabei aber bei Temperaturniveaus an, bei welchen sie eventuell noch weiter genutzt und in andere Prozesse integriert werden könnten, um den Wirkungsgrad steigern zu können. Der Vergleich von Methanisierung und Haber-Bosch-Prozess im Power-to-Gas-Ansatz ergab vergleichbare Umwandlungswirkungsgrade. Bei beiden Prozessen wurden für den Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad über SOFC Werte in der Größenordnung von 36,5 % erzielt

In this diploma thesis various energy storage types for high electrical power output were investigated, modelled with process simulation software tools and compared. For short and medium storage cycle times different concepts of electrothermal energy storages were compared. For increased storage times up to seasonal storages a thermochemical ammo-nia-based storage was modelled. Additionally, the commercially used methanization for power-to-gas systems was compared to the synthesis of ammonia through the Haber-Bosch process to evaluate Ammonias ability to compete with Methane. Electrothermal energy storages operated with diverse working fluids, storage fluids and storage temperatures were modelled with the process simulation tool Ebsilon Professional. The storage cycles achieved efficiencies in the range of 41,6 % to 56,3 %. The highest efficiency was attained by a CO2-based storage process with hot water as a storage fluid and moderate process conditions. Further positive results were achieved by high-temper-ature storages with up to 560C storage temperature combined with a Rankine steam cycle for discharging. This technology has the potential to revitalize abandoned power plants and thus use existing turbomachinery with high efficiencies. With nearly 50 % storage ef-ficiency in the performed static simulation this storage types may turn out to be an im-portant factor for increasing the renewable energy percentage. For the thermochemical Ammonia storage simulated with Aspen Plus three different pro-cess parameter sets with varying storage and process pressure were modelled. With a separated model structure for decomposition and synthesis, both recycling the not con-verted reactants, as well as an integrated Rankine steam cycle for energy recovery an efficiency of 26,9 % could be reached. Main energy losses occur at temperature levels possibly allowing further use or integration into other processes and therefore improving storage efficiencies. The comparison of methanization and the Haber-Bosch process for Power-to-gas proved a competitiveness of the Ammonia synthesis. In both processes electric round-trip efficien-cies of approximately 36,5 % were obtained.