ABB AG

Eine Anlage, die sich besonders gut für Anwendungen mit erheblichem Wärme- oder Kälteverbrauch eignet.

Bild: MAN; iStock, wildpixel

Grenzen überwinden Sektorenübergreifende Industrieanlage

02.09.2019

Das neue elektrothermische Energiespeichersystem ETES von MAN und ABB speichert Strom, Wärme und Kälte in großem Maßstab und verteilt diese an die Verbraucher. Die preisgekrönte, modulare Sektorenkopplungsanlage eignet sich besonders gut für Anwendungen mit erheblichem Wärme- oder Kälteverbrauch.

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Die Jury war sich bei der Verleihung des Energy Storage Europe Awards 2019 einig: „Die Silo-Mentalität im Strom-, Verkehrs- und Wärmesektor aufzubrechen, ist höchst wichtig für die Industrie und die Energiewende. Das Drei-Wege-Energiespeichersystem ETES überwindet die traditionellen Grenzen der Industrie und ermöglicht eine effektive Sektorenkopplung durch die Kombination von Wärme-, Kälte- und elektrischen Speichern.“ Das skalierbare, CO2-neutrale und sektorenübergreifende MAN ETES löst dabei zwei grundlegende Probleme. Einerseits unterstützt es die Aufrechterhaltung des Netzgleichgewichts, indem es große Mengen an überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien aufnimmt und bei Bedarf wieder in das Netz einspeist. Andererseits integriert es mehrere Sektoren, indem es Wärmeenergie für Heiz- und Kühlzwecke erzeugt, speichert und bereitstellt.

Basis der Lösung

Technologisch liegt der neu entwickelten Lösung die reversible Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie, die in Form von Warmwasser und Eis gespeichert wird, zugrunde. Die Basis sind dabei Wärmepumpen- und Wärmekraftmaschinentechnologien unter Verwendung von CO2-Zyklen und der Speicherung von Pumpwärme (siehe Grafiken).

An der ETES-Technologie wird bei MAN schon länger getüftelt. Bereits 2015 kam man im Rahmen der „Future-Innovation-Community“ – die sich auf Technologien und Marktlösungen der Zukunft fokussiert – das erste Mal damit in Kontakt. Im Frühjahr 2018 haben dann ABB und MAN einen Vertrag über die Zusammenarbeit geschlossen. Während MAN Energy Solutions die Turbomaschinen für die Verdichtung und Rückverstromung sowie die schlüsselfertige Anlage inklusive Prozess-Know-How liefert und für die Vermarktung verantwortlich ist, steuert ABB die elektrischen Komponenten bei.

Größe zwischen Tennis- und Fußballplatz

Da das System modular aufgebaut ist, lässt es sich an spezifische Kundenbedürfnisse anpassen. Der elektrische Leistungsbereich liegt bei 2 bis 16 MW. Dies entspricht in etwa einer thermischen Leistung (Wärme und Kälte) von 10 bis 80 MW. Die Ausmaße der Anlagen können variieren, wie Alexandre de Rougemont erläutert: „Es handelt sich eindeutig um eine industrielle Anlage, die je nach Ausführung die Größe eines Tennis- bis zu der eines Fußballfelds einnehmen kann.“ Der Head of Sales Turbo Solutions bei MAN Energy Solutions berichtet, dass man noch kontinuierlich an Verbesserungen arbeitet, einerseits hinsichtlich der Auslegung aller Komponenten, anderseits der Parameter des Systems selbst, damit bestmöglich auf die Bedürfnisse der Endverbraucher eingegangen werden kann. „Schlussendlich lässt sich viel mehr mit einer geschickten Integration des Systems als mit punktuellen Optimierungen einzelner Komponenten erreichen“, weiß de Rougemont.

Flexible Anwendungsgebiete

Auch hinsichtlich der Anwendungsgebiete zeigt das Konzept Flexibilität. Die Wärme kann sowohl in Form von Fernwärme als auch für vielfältige industrielle Anwendungen bereitgestellt werden oder für Heizungsanlagen in großen Gebäuden wie Krankenhäusern oder Schulkomplexen. Typische Kälteanwendungen sind unter anderem die Kühlung von Rechenzentren oder die Klimatisierung großer Gebäude. „Wir sehen sowohl sehr gute Einsatzmöglichkeiten in allen Bereichen, in denen große Mengen an thermischer Energie benötigt werden, als auch dort, wo überschüssige erneuerbare Elektrizität vorhanden ist“, betont der Verkaufsleiter. Insbesondere im Zusammenspiel verschiedener Sektoren, wie Fernwärme und Kältenetze, Prozessindustrie und Energielieferanten, könne ETES sein Potenzial bestens ausschöpfen.

Im Bereich der produzierenden Industrie sind speziell Wärme- und Kälteanwendungen im Temperaturbereich von 0 bis etwa 140 °C interessant, konkretisiert de Rougemont. Diese Bedingungen sind häufig in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der Pharma- und chemischen Industrie anzutreffen.

Leistungskoeffzient über 6

Mit konkreten Aussagen zum tatsächlichen Wirkungsgrad tut sich der Head of Sales schwer. Dies liegt daran, dass es für das Kraft-Wärme-Kälte-Energie-System (Tri-Generation) auf dem Markt noch keine Definition oder Vergleichsgrößen für den gesamt-energetischen Wirkungsgrad gebe. Wenn man lediglich den Wirkungsgrad des elektrischen Inputs und Outputs bei der Rückverstromung betrachte, liege dieser aktuell bei rund 50 Prozent. Dieser Wert ist jedoch nur für die Re-Elektrifizierung des Systems relevant. Unter Berücksichtigung der Umwandlung von Strom in thermische Energie erreicht das System laut de Rougemont einen Leistungskoeffizienten (COP) von über 6. Und was lässt sich über den Return-on-Invest sagen? Klar ist, dass die Systemkosten sehr stark von der gewählten Ausführung abhängen. Wird beispielsweise eine Rückverstromung benötigt oder nicht? Zudem ist etwa die Größe der Speichertanks abhängig von der geforderten Lade- und Entladezeit. De Rougemont nennt jedoch einen Anhaltspunkt für den ROI: „Generell gilt das Ziel, eine Payback-Zeit von fünf Jahren zu erreichen.“ Von den potenziellen Anwendern empfängt er „durchwegs positive Reaktionen“. Hervorgehoben werde vorwiegend die Vielseitigkeit des Systems mit der Option, Wärme und Kälte sowie Elektrizität zu speichern und zu erzeugen.

Schwerpunkt zunächst in Europa

Als weltweit tätiges Unternehmen will man sich bei MAN Energy Solutions hinsichtlich des Vertriebsgebiets natürlich nicht einschränken. In der Startphase liegt der Schwerpunkt jedoch hauptsächlich auf dem europäischen Raum. „Speziell in Deutschland, Dänemark und Irland sehen wir großes Potenzial“, berichtet der Verkaufsleiter. Deutschland sei ein interessanter Markt, da infolge der Energiewende ein großer Handlungsbedarf bestehe, den hohen Anteil an erneuerbarer Energie besser zu nutzen.

In Dänemark adressiert man mit dem neuen Anlagenkonzept, neben der Integration erneuerbarer Energien (vorwiegend Wind), die dort vertretenen großen Rechenzentren, etwa von Apple, Google oder Facebook, welche einen großen Kühlbedarf haben. In Irland sind hingegen die CO2-Emissionen in den letzten vier Jahren gestiegen. „Das Land ist auf der Suche nach innovativen Lösungen, um diese Entwicklung so schnell wie möglich zu stoppen und den CO2-Ausstoß zu reduzieren“, hat de Rougemont ausgemacht.

Doch im Moment konzentriert man sich auf mehrere laufende Projekte, die das Ziel haben, erstmals einen Demonstrator zu realisieren. Hier kann der Verkaufsleiter aber schon Positives berichten: „Die Prozessparameter des Systems wurden bereits mehrmals von verschiedenen unabhängigen Stellen geprüft und konsolidiert.“

Bildergalerie

  • Ladezyklus: (1) Der Turbokompressor wird mit Energie aus erneuerbaren Quellen betrieben und verdichtet das CO2 im Kreislauf, das sich auf circa 120 °C erhitzt. (2) Das erhitzte CO2 durchläuft einen Wärmetauscher und erwärmt Wasser. (3) Das heiße Wasser wird in Tanks gespeichert, bei einer für jeden Tank definierten Temperatur. (4) Das noch unter hohem Druck stehende CO2 wird durch einen Expander entspannt. Das CO2 wird so verflüssigt und abgekühlt. (5/6) Das flüssige CO2 durchläuft erneut ein Wärmetauschsystem – diesmal auf der kalten Seite des Verfahrens.

    Bild: MAN

  • Entladezyklus: (1/2) Gasförmiges CO2 durchläuft den Wärmetauscher auf der kalten Seite des Kreislaufs. Das CO2 kondensiert durch die Kälte aus dem Eisspeichertank, und das Eis im Tank schmilzt. (3) Die Pumpe erhöht wieder den Druck des CO2. (4/5) Das CO2 durchläuft den Wärmetauscher und wird durch das Wasser aus den Warmwassertanks erhitzt. (6) Das erhitzte CO2 wird in die Turbine eingespeist, wo die Wärme über einen Generator wieder in Strom verwandelt wird.

    Bild: MAN

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