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Edelstahl Rostfrei für Hochtemperaturspeicher von erneuerbarer Energie
Hochtemperaturspeicher sind laut Warenzeichenverband Edelstahl Rostfrei e. V. ein Schlüsselelement zur Integration inkonstanter Energiequellen in die Wärmeversorgung. Sie bieten viel Potenzial für die notwendige Prozesseffizienz und Flexibilität für Industrie, Strommarkt und Sektorenkopplung. Mechanische Belastung, hohe Temperaturen sowie Korrosivität der eingesetzten Wärmeträger und Speichermedien stellen hohe Anforderungen an die in den Speicherkonstruktionen eingesetzten Werkstoffe. Die werkstofftypischen Eigenschaften von Edelstahl Rostfrei machen ihn laut Verband zum bewährten Klassiker für den Bau von Wärmetauschern, Dampferzeugern, Hochtemperaturrohren oder Salzschmelze-Speichertanks.
Ob zum Spitzenlastausgleich, für eine effiziente Abwärmenutzung oder sichere Dampfversorgung: Hochtemperaturspeicher erhöhen die Sicherheit der Strom-, Wärme- und Dampfversorgung und reduzieren gleichzeitig die Abhängigkeit von regenerativen und fossilen Energiequellen, so der Verband. Überall, wo schnell Wärme ein- und ausgespeichert werden muss oder sehr hohe Temperaturen im Prozess gebraucht würden, seien thermische Energiespeicher unverzichtbar. Die zur Auswahl stehenden Speicherarten werden unterschieden nach Temperatur, Speicherdauer und thermodynamischem Prinzip. Hochtemperaturspeicher arbeiten bei Temperaturen von mehr als 500 °C, Mitteltemperaturspeicher von 120 bis 500 °C und Niedertemperaturspeicher bei Temperaturen unterhalb von 120 °C. Optimal ausgeschöpft werden die Vorteile von Energiespeichern durch eine Kombination aus Kurzzeitspeichern, deren Kapazitäten von einigen Stunden bis zu wenigen Tagen reichen, und Langzeitspeichern für wenige Wochen bis zu einem Jahr.
Breites Spektrum
Die Auswahl der jeweils geeigneten Speichertechnologie hängt maßgeblich vom erforderlichen Temperaturbereich und dem eingesetzten Wärmeträgermedium ab. Bei thermodynamischen Wärmespeichern wird zwischen sensiblen, latenten, thermochemischen und elektrothermischen Speichern unterschieden. Sensible Wärmespeicher speichern die Wärmeenergie durch Erhöhung der Temperatur eines Wärmeträgermediums wie Wasser, Thermalöl, Salz oder Gas. Die speicherbare Energiemenge ist abhängig von der spezifischen Wärmekapazität des Mediums. Diese ist beispielsweise bei Wasser sehr hoch. Aus hochwertigem Edelstahl gefertigte Pufferspeicher sind deshalb im Niedrigtemperaturbereich bis 100 °C zur Wärmeversorgung sehr verbreitet. Ihre Rund- und Längsnähte sowie alle Anschlüsse werden unter formierter Schutzgasatmosphäre geschweißt. Abschließend erhält der Speicher eine Tauchbeizung mit nachfolgender Passivierung der Oberfläche. Integrierte Flachrohrregister aus Edelstahl erhöhen nicht nur den Wirkungsgrad des Speichers bei zugleich verringertem Gewicht, sondern überzeugen laut Verband auch durch ihre Robustheit bei der Montage, Wartungsarmut und Langlebigkeit.
ABZ-Stellenmarkt
Oberhalb von 100 °C steigt der Dampfdruck beim Einsatz von Wasser stark an, was zu höheren Anforderungen an die Behälter und damit auch zu höheren Kosten führt. Für Temperaturen von 100 bis 400 °C kommen derzeit vor allem Thermalölspeicher zum Einsatz. Das Fluid hat jedoch eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Wasser. Ein zunehmend breites Einsatzspektrum bieten Flüssigsalzspeicher, die ebenfalls zu den sensiblen Speichern zählen. Ihre Salzschmelze wird aus konzentrierter Solarwärme, überhitztem Dampf oder Abwärme drucklos auf Temperaturen von 250 bis zu 565 °C erhitzt und kann die Wärme für mehrere Stunden und sogar Tage speichern. Bewährter Werkstoff für die Konstruktion dieser Speicher ist Edelstahl der Güte 1.4961, erläutert der Verband.
Er erlaube bei hohen Temperaturen dünnere Wandstärken von Rohren, Behältern und Apparaten. Für diesen rostfreien, hochlegierten Chrom-Nickel-Molybdänstahl spreche neben guter allgemeiner Korrosionsbeständigkeit die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion im geschweißten Zustand. Gute Umformbarkeit und Schweißeigenschaften qualifizieren ihn überdies für den Einsatz in den hochbeanspruchten Aggregaten, so Edelstahl Rostfrei. Flüssigsalzspeicher sind großtechnisch vor allem in solarthermischen Kraftwerken im äquatornahen Sonnengürtel verbreitet. Dort speichern sie Überschussstrom aus der Sonnenenergie, um diesen beispielsweise in der Nacht wieder bereitzustellen. Jedoch finden sie auch in der Industrie zur Abwärmenutzung und Versorgung von Dampfturbinen vermehrt Anwendung.
Latente Wärmespeicher nutzen Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM), um Energie zu speichern. Durch Änderung ihres Aggregatzustands – in der Regel zwischen flüssig und fest – erfolgt die Energieaufnahme und -abgabe nahezu isotherm. Ihre Speicherkapazität wird durch das gewählte Speichermedium und -volumen bestimmt. Einige Phasenwechselmaterialien haben Schmelztemperaturen von weit mehr als 1000 °C. Zudem ist die Energiedichte bei latenten Wärmespeichern höher als bei sensiblen. Dies prädestiniert diese Speicherart für die Nutzung von Abwärme aus industriellen Prozessen, die in einem weiten Temperaturbereich anfällt. Derzeit sind diese Speicher im großindustriellen Maßstab jedoch noch in der Erprobung.
Thermochemische Wärmespeicher nutzen chemische Reaktionen, um Wärmeenergie zu speichern und abzugeben. Diese Technologie ist aktuell erst in der Grundlagenforschung. Elektrothermische Energiespeicher wandeln elektrische in thermische Energie um und speichern diese in Form von Strom, Wärme oder Kälte in großem Maßstab. Dadurch erlauben sie das modulare Zusammenspiel verschiedener Sektoren wie Prozessindustrie und Energieversorger, Fernwärme- und Kältenetze. Sie stellen Wärme bedarfsgerecht für vielfältige industrielle Anwendungen oder Heizungsanlagen von Krankenhäusern und Schulen zur Verfügung und können gleichzeitig Kälte beispielsweise zur Kühlung von Rechenzentren bereitstellen.
Steigender Bedarf
Der Bedarf an Hochtemperaturspeichern wird in der Industrie nach Einschätzung von Herstellern und Forschern in den kommenden Jahren stark steigen. Anspruchsvolle Strategien für die geforderte Klimaneutralität, steigende Anzahl von Net-Zero-Roadmaps bei großen Verbrauchern sowie zunehmende Kostenunsicherheit bei fossilen Brennstoffen sind in der Industrie starke Treiber für die Unterstützung der Prozesse mit Speichertechnologien. Energieintensive Branchen wie die Eisen- und Stahl-, Papier- und Zellstoff-, Chemie- und Petro-, Zement- und Klinker-, Glas- und Lebensmittelindustrie erzeugen erhebliche Mengen an Abwärme, die oftmals ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Gleichzeitig haben diese Industrien einen sehr hohen Bedarf an Strom und hochwertiger Prozessenergie.
So benötigt beispielsweise die Papier- und Zellstoffindustrie für den Betrieb der Produktionsanlagen große Energiemengen in Form von Strom, um mit Hilfe von 100 bis 500 °C heißem Prozessdampf und hohem Druck den Papierfasern und -bahnen das zur Herstellung notwendige Wasser wieder zu entziehen. Die Speicherung von Dampf und Wärme aus erneuerbarem Strom und Abwärmerückgewinnung trägt dabei maßgeblich zu Nachhaltigkeit, Prozessstabilität und Kosteneffizienz bei. In der Chemie- und Petroindustrie ist Wasserdampf neben Gas der wichtigste Energieträger und wird zum Trocknen von Produkten, Aufheizen von Reaktoren und Destillieren benötigt. Gas wird zudem nicht nur als Energieträger benötigt, sondern ist auch ein wichtiger Rohstoff für Produkte wie Ammoniak.
Die Umstellung auf klimafreundliche Dampfversorgung und thermische Energiespeicherung trägt folglich in dieser Branche erheblich zur Reduzierung der CO2-Emissionen und zur Verringerung der Abhängigkeit vom fossilen Energieträger Gas bei. Für Brennprozesse in der Zement- und Klinkerindustrie oder Schmelzprozesse in der Glasindustrie sind Temperaturen von bis zu 1200 °C erforderlich. Speicherlösungen, die dabei die Abwärme nutzen und als Dampf oder Strom bereitstellen, leisten einen entscheidenden Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit und Klimaneutralität der Unternehmen und können obendrein nahegelegene Verbraucher bedarfsgerecht versorgen, so der Verband.
Energiewende, steigende Energiekosten sowie das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) erhöhen den Handlungsdruck für Kraftwerke und regionale Energieversorger, die inkonstanten Energieerzeugungen von erneuerbaren Energien durch Energiespeichersysteme zu unterstützen. Biomasseheizkraftwerke steigern ihre Profitabilität und Flexibilität mit Pufferspeichern aus Edelstahl Rostfrei, um die erzeugte Wärmeenergie zu speichern und bereitzustellen. Für regionale Energieversorger sind laut Verband thermische Speichersysteme von zentraler Bedeutung, um Strom und Wärme in Fernwärmenetzen zeitlich zu entkoppeln, regenerative Energien zu speichern und bedarfsgerecht bereitzustellen.
Längsgeschweißte Wellrohre aus Edelstahl Rostfrei der Güte 1.4404 bewähren sich in vielen dieser Speichersysteme beispielsweise als Förderleitungen für korrosive flüssige und gasförmige Medien. Sie widerstehen laut Verband zuverlässig den hohen Belastungen durch Druck, aggressive Medien, Temperatur oder Vibration, die für diese Prozesse typisch sind.
