Projekt 34219/01

Entwicklung eines innovativen mobilen Schüttgut-Wärmespeichersystems

Projektdurchführung

Stefan Steverding Sondermaschinen- und Vorrichtungsbau GmbH
Gerhart-Hauptmann-Str. 41
48703 Stadtlohn

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines mobilen Schüttgutwärmespeichers, mit dem Mitteltemperaturabwärme aus Biogas-BHKW mittels ISO-Containern über die Straße zu geeigneten Abnehmern transportiert werden kann. Die nutzbare thermische Leistung von Biogas-BHKW entspricht insgesamt etwa der elektrischen Leistung. Diese thermische Leistung kann zu etwa 45 % über das Abgas, bei Temperaturen von 450 bis 520 °C und zu etwa 55 % über das Kühlwasser, auf einem Temperaturniveau von etwa 80 °C, bereitgestellt werden.

Im Vorhaben soll ein Schüttgut, vorzugsweise (Quarz)-Kies, als Speichermedium eingesetzt werden. Eine enge Kornverteilung des angestrebten Rundkorns bewirkt ein gleichmäßiges Aufheizen und definierte Druckverluste bei der Durchströmung der Schüttung.

Zur Beladung des angestrebten mobilen Schüttgutspeichers wird das heiße Abgas eines Biogas-BHKWs in die Kiesschüttung geleitet. Die Durchströmung erfolgt durch den Überdruck im Abgastrakt ohne weitere Ventilatorunterstützung. Durch geeignete Kiesqualitäten und -klassierungen kann der Differenzdruck in einem für Motor und Wärmeübergang und Gleichverteilung der Strömung optimalen Bereich von 3 bis 10 mbar gehalten werden.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenArbeitsschwerpunkte sind die Auswahl geeigneter Kiesqualitäten und -klassierungen (Rundkorn verschiedener Kieswerke und Klassierverfahren) / Versuche im Technikum zu Druckverlusten für diese speziellen Kiese und Isoliermaterialien (zwischen Kies und Behälter bzw. zwischen Behälter und Container) / Entwicklung, Konstruktion, Fertigung sowie Montage Pilotspeicher im 20-Fuß-Container für Probebetrieb und praxisbasierte Alterungsversuche / Meilenstein „Proof of Concept" im realen Maßstab / Optimierungen / Feldtests an Biogasanlage.

Die Bestimmung der erforderlichen Größe der Schüttgutkörner für angestrebte Druckverluste soll auf Basis der Ergun-Gleichung erfolgen, in die Gastemperatur, -druck, -dichte, -viskosität, Partikeldurchmesser, Lückengrad, die Sutherland-Konstante sowie weitere spezifische Parameter eingehen.



Ergebnisse und Diskussion

Die Verwendung von ISO-Containern (Standard-Überseecontainer) war ursprünglich vorgesehen. Zur Erhöhung der durch das zulässige Gesamtgewicht beim Straßentransport beschränkten Speicherkapazität wurde dies in einen Containerrahmen mit Planenaufbau geändert. Hierdurch wird Gewicht im Bereich der Seitenwände und des Daches eingespart, so dass mehr Kies und damit mehr Wärme transportiert werden kann. Im Rahmen der Technikumsversuche wurde kein Kondensatanfall beobachtet. Die an den Behälterböden angebrachten Entnahmestutzen für das Kondensat blieben immer trocken. Der Grund hierfür ist vermutlich, dass die beim Kontakt mit kaltem Kies lokal auskondensierende Feuchte direkt wieder durch das nachströmende warme Gas verdampft wird. Da bei den Technikumsversuchen keine Kondensation von Wasser beobachtet werden konnte, wurde vom Projektteam angenommen, dass dieser Effekt auch beim mit Biogas-BHKW-Abgas beaufschlagten Prototypen nicht der Fall sein wird. Das Gleiche gilt für den Anfall von schwefliger Säure bzw. Schwefelsäure. Aus diesem Grunde wurde auch auf die Verwendung von Edelstahl als Material für den Speicherbehälter verzichtet. Die ursprüngliche Kiesmenge beruhte auf der Annahme vergleichsweise dünner Behälterwände. Da diese Wände auf Basis der durchgeführten FEM-Berechnung ebenso wie die Verrippung deutlich stärker und damit schwerer ausgeführt wurden (knapp 12 Tonnen), musste zur Einhaltung des zulässigen Gesamtgewichts für den Straßentransport die Kiesmasse auf etwa 8 Tonnen bei 40 Tonnen Gesamtgewicht, etwa 12 Tonnen bei 44 Tonnen Gesamtgewicht verringert werden. Die durchgeführten Messungen bei der Entladung des Speichers ergeben eine Wärmeauskopplung des Speichers vom gut 2 MWh. Es wurde ursprünglich von einer Speicherkapazität von rund 2,5 MWh ausgegangen. Dieses Ergebnis ist beachtlich, da die Mehrmenge an Stahl über eine etwas geringere Wärmespeicherkapazität verfügt als die Mindermengen an Kies und der Speicher nicht vollständig beladen war.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Öffentlichkeitsarbeit und Präsentationen im Rahmen von Kundenfachgesprächen, Messen etc. erfolgen im Nachgang zur Projektlaufzeit. Der Grund hierfür liegt darin, dass der mobile Wärmespeicher mit deutlicher Verzögerung fertiggestellt wurde und beispielsweise der Praxistest mit der Beladung an einer Biogasanlage und Entladung bei einem Industriebetrieb erst nach Ablauf der Projektlaufzeit durchgeführt wurde.
Die Firmen Steverding, Hemsing und dezentec betreiben die Entwicklung mit eigenen Mitteln weiter.
Daher haben die vorgenannten Firmen ein hohes Eigeninteresse an der Veröffentlichung der Entwicklungsergebnisse.



Fazit

Die Eignung von Schüttgut, hier speziell (Quarz-)Kies als Wärmespeichermaterial für die Be- und Entladung im direkten Gas-Feststoffkontakt konnte sowohl im Technikum als auch bei dem Prototyp erfolgreich nachgewiesen werden. Besonders die Einsatzmöglichkeit von verschiedenen Korngrößen des Kieses für die jeweilige Be- und Endladesituation macht das System für viele Anlagen nutzbar. Hierdurch wird eine hohe Einsatzflexibilität gewährleistet.
Die Umweltbilanz der mobilen Wärmespeicherung ist, wie erwartet sehr gut. Die durch die mobile Speicherung genutzte Abwärmemenge ist um einen Faktor von etwa 20 - 30 größer als die für den LKW-Transport benötigte Energie. Selbst bei konservativen Annahmen, wie einer pro Fahrt transportierten Wärmemenge von nur 2.000 kWh und der betrachteten Maximaldistanz des Transports von 10 km, benötigt der LKW für Hin- und Rückweg nur vier Prozent der transportieren Energiemenge.
Die Konstruktion des Prototyps des mobilen Schüttgutwärmespeicher ist, bedingt durch die hohen Kräfte, die das Schüttgut durch die Wärmedehnung auf die Wandungen ausübt, sehr komplex, arbeits- und materialintensiv. Die FEM- Berechnung hat gezeigt, dass in dieser Ausführung ein großer Materialeinsatz gefordert wird, um eine ausreichend hohe Stabilität in das System zu bringen. Die aufwendige Konstruktion der Verippung führt zu aufwendigen Schweißarbeiten, die sehr viele Arbeitsstunden erfordern. Die Kosten zur Erstellung des Prototyps sind daher sehr hoch und nicht marktfähig. Während des Projektes kam es durch den Fachkräftemangel, die Corona Krise, Turbulenzen am Stahlmarkt bezüglich Preisen und Lieferzeiten zur Zeit des Baubeginns des Wärmespeichers und durch erhebliche Lieferschwierigkeiten selbst einfacher Komponenten wie LKW-Planen zu einem Verzug in der Projektlaufzeit.
Die Firmen Steverding, Hemsing und dezentec werden auch nach Ablauf des DBU-Projektes weiter an der Optimierung des mobilen Schüttgutwärmespeichers arbeiten. Hierbei wird insbesondere eine Kostenreduktion durch Vereinfachung der Konstruktion im Vordergrund stehen.
Die allgemeine Situation am Wärmemarkt hat sich seit Projektbeginn 2018 deutlich verändert. Die deutlich gestiegene Nachfrage nach nachhaltigen Energiequellen führt umso mehr dazu, das Wärmespeichersystem weiter zu verbessern und somit eine zusätzliche Möglichkeit der Bereitstellung von Wärme zu bieten. Die mobile Wärmespeicherung wird in Zukunft einen Beitrag zum Ausbau der Wärmenetze leisten können.

Kurz zusammengefasst:
• Die untersuchte Technik der Wärmespeicherung in Kies-Schüttgut funktioniert gut.
• Der Prototyp besitzt noch keine Marktreife.
• Das Patent wurde im Februar 2023 erteilt.
Die Entwicklung wird von den beteiligten Firmen nach dem Projektende eigenständig fortgeführt