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Tem­pe­rie­ren für den Ener­gie­spei­cher der Zukunft

1. August 2019
in Anlagen & Komponenten, Antriebstechnik & Mechanik
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Die Wärmeübertragungsanlage kurz vor der Platzierung in die Einhausung aus Sicherheitsglas am Max-Planck-Institut in Magdeburg. Bild: Max-Planck-Institut / Gabriele Ebel

Die Wärmeübertragungsanlage kurz vor der Platzierung in die Einhausung aus Sicherheitsglas am Max-Planck-Institut in Magdeburg. (Bild: Max-Planck-Institut / Gabriele Ebel)

Deutsch­land hat sich für die Ener­gie­wen­de viel vor­ge­nom­men: Bis 2050 soll der Anteil der Erneu­er­ba­ren Ener­gien am Strom­ver­brauch bei 80 Pro­zent lie­gen. Mit dem Aus­bau von Wind­ener­gie, Pho­to­vol­ta­ik und ande­rer rege­ne­ra­ti­ver Ener­gie­trä­ger sowie der zuneh­men­den Elek­tri­fi­zie­rung der Gesell­schaft ste­hen Wirt­schaft, Poli­tik und Wis­sen­schaft vor einer gro­ßen Her­aus­for­de­rung: Die dezen­tral gewon­ne­ne Ener­gie muss bei Über­pro­duk­ti­on mög­lichst effi­zi­ent und vor allem nach­hal­tig gespei­chert wer­den, um im Fal­le von Ver­brauchs­spit­zen in das Ener­gie­netz ein­ge­speist zu wer­den. Ein viel­ver­spre­chen­des ener­gie­wirt­schaft­li­ches Kon­zept nennt sich Power to Gas. Dabei wird mit Elek­tro­ly­se und Metha­ni­sie­rung aus Wind- oder Solar­ener­gie Methan gewon­nen. Ener­gie wird damit als Gas gespei­chert und bei Bedarf zurück­ge­won­nen. Auch auf dem auto­mo­bi­len Sek­tor könn­te Metha­ni­sie­rung die Ver­brei­tung gas­be­trie­be­ner Fahr­zeu­ge vor­an­brin­gen. Das dafür benö­tig­te Methan könn­te umwelt­scho­nend pro­du­ziert wer­den. For­scher welt­weit arbei­ten mit Hoch­druck dar­an, die­se Tech­no­lo­gie ener­gie­wirt­schaft­lich rele­van­ter und ein­fa­cher zu gestal­ten. Feder­füh­rend dabei ist das Max-Planck-Insti­tut für Dyna­mik kom­ple­xer tech­ni­scher Sys­te­me in Mag­de­burg, das bereits seit etwa sie­ben Jah­ren in die­sem For­schungs­feld aktiv ist. Für sei­ne Arbei­ten setzt das Insti­tut in ihrer Pilot­an­la­ge eine Wär­me­über­tra­gungs­an­la­ge von Lau­da ein, die den sehr spe­zi­fi­schen Anfor­de­run­gen der For­scher gerecht wer­den muss.

Genau­es und schnel­les Abküh­len gefordert

Heiz- und Kühl­sys­te­me, die indus­tri­el­le Spar­te des Tem­pe­rier­ge­rä­te­her­stel­lers Lau­da, plant und fer­tigt maß­ge­schnei­der­te Tem­pe­rier­an­la­gen exakt nach Kun­den­wunsch. Für das Max-Planck-Insti­tut wur­de eine Wär­me­über­tra­gungs­an­la­ge des Typs ITH 350 ent­wi­ckelt. Ein­ge­setzt wird die Anla­ge zur Tem­pe­rie­rung eines Reak­tors. Dabei muss die Anla­ge eine Küh­lung von 100 Kel­vin pro Minu­te leis­ten kön­nen, ohne im End­punkt zu unter­schwin­gen. Sie muss also rasch her­un­ter­küh­len, darf aber einen bestimm­ten Tem­pe­ra­tur­punkt nicht unter­schrei­ten, um den eigent­li­chen Pro­zess nicht zu gefähr­den. Eine Her­aus­for­de­rung, auch für die Lau­da Inge­nieu­re, denn Wär­me­über­tra­gungs­an­la­gen sor­gen meist vor allem für kon­stan­te Tem­pe­rier­leis­tun­gen. Für die For­schung des Max-Planck-Insti­tuts muss­te die Anla­ge nun reak­ti­ons­schnell gegenkühlen.

In Minu­ten von 340 °C auf 150 °C abkühlen

Die Metha­ni­sie­rungs­re­ak­ti­on erzeugt viel Wär­me und hohe Tem­pe­ra­tu­ren, die den Reak­tor, aber vor allem den Kata­ly­sa­tor, beschä­di­gen kön­nen. Bis­her wur­den sol­che Pro­zes­se typi­scher­wei­se ein­mal lang­sam hoch­ge­fah­ren und dann über Wochen kon­stant betrie­ben. “Wir ver­su­chen zunächst zu iden­ti­fi­zie­ren, wie dyna­misch die­ser Pro­zess betrie­ben wer­den kann und lei­ten dar­aus ers­te Ansät­ze für neue Betriebs­stra­te­gien und Reak­tor­designs ab. Ers­te viel­ver­spre­chen­de Ergeb­nis­se auf Basis com­pu­ter­ge­stütz­ter Rech­nun­gen lie­gen bereits vor, und nun wol­len wir mit der Pilot­an­la­ge die­se Ergeb­nis­se veri­fi­zie­ren”, erläu­tert Pro­jekt­lei­ter Jens Bre­mer das Ziel der For­scher. Ent­spre­chend hoch sind die Ansprü­che an die Tem­pe­rie­rung. Die dafür not­wen­di­ge Prä­zi­si­on leis­tet die  Wär­me­über­tra­gungs­an­la­ge. “Die Per­for­mance und Dyna­mik des Reak­tors wird maß­geb­lich durch des­sen Küh­lung bestimmt. Eine schnell regu­lier­ba­re Tem­pe­rie­rung ermög­licht es, fle­xi­bel auf äuße­re Ein­flüs­se wie etwa eine abneh­men­de Ver­sor­gung mit Was­ser­stoff reagie­ren zu kön­nen, ohne den Reak­tor run­ter­fah­ren zu müs­sen”, so Jens Bremer.

Die Wärmeübertragungsanlage wurde an die speziellen Bedürfnisse des Kunden angepasst. Das Bild zeigt die offene Anlage. Sämtliche Leitungen werden vor Auslieferung thermisch isoliert. Bild: Lauda
Die Wär­me­über­tra­gungs­an­la­ge wur­de an die spe­zi­el­len Bedürf­nis­se des Kun­den ange­passt. Das Bild zeigt die offe­ne Anla­ge. Sämt­li­che Lei­tun­gen wer­den vor Aus­lie­fe­rung ther­misch iso­liert. (Bild: Lauda)

Wäh­rend des Pro­zes­ses wird der Reak­tor auf 340 °C elek­trisch auf­ge­heizt. Ab einer defi­nier­ten Tem­pe­ra­tur setzt eine exo­ther­me Reak­ti­on ein, die schlag­ar­tig auf 150 °C gekühlt wer­den muss. Ein in Nor­mal­fäl­len ver­wen­de­tes, elek­tro­ni­sches Ven­til, das als Regel­or­gan dient, wäre für die­sen Anwen­dungs­fall deut­lich zu lang­sam. Je nach Stell­grö­ße kann mit Hil­fe des Ven­tils die Kühl­leis­tung ver­än­dert wer­den. Bei Küh­lung mit Kühl­was­ser wird in nor­ma­len Kühl­auf­ga­ben die Kühl­leis­tung limi­tiert, um die Mate­ria­li­en bei einem gro­ßen Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied zu scho­nen. Im die­sem Fall ver­lang­te die Auf­ga­ben­stel­lung aber eine schnel­le Öff­nung, um die gefor­der­te Abkühl­ge­schwin­dig­keit zu errei­chen, ohne das Mate­ri­al zu sehr unter Stress zu set­zen. Die Inge­nieu­re haben des­halb ein pneu­ma­ti­sches 3‑We­ge-Ven­til ver­baut, das sich in nur zwei Sekun­den öff­net, um eine Abküh­lung des Wär­me­trä­gers von mehr als 150 °C pro Minu­te zu garantieren.
In ihrem Inne­ren besteht die Wär­me­über­tra­gungs­an­la­ge aus zwei Tem­pe­rier­kreis­läu­fen. Wäh­rend der ers­te Kreis ein Puf­fer­ge­fäß tem­pe­riert, tem­pe­riert der zwei­te Kreis­lauf den Prüf­auf­bau des Max-Planck-Insti­tuts. Bei­de Krei­se sind über den Medi­en­vor­rats­spei­cher mit­ein­an­der ver­bun­den und nut­zen das glei­che Medi­um. Eine wei­te­re Anfor­de­rung des Kun­den an die Anla­ge war, dass der ver­wen­de­te Wär­me­trä­ger bis 350 °C ein­setz­bar sein muss­te. Das Unter­neh­men setzt des­halb auf ein Ther­mal­öl, das den hohen Anfor­de­run­gen an das Mate­ri­al gerecht wird.

Spe­zi­fi­sche Anfor­de­run­gen des Kun­den erfüllt

Lau­da hat die spe­zi­el­le Wär­me­über­tra­gungs­an­la­ge gemäß den Wün­schen des Max-Planck-Insti­tuts ent­wi­ckelt und kon­stru­iert. Die engen räum­li­chen Gege­ben­hei­ten wur­den dabei bereits in der Ent­wick­lungs­pha­se am Com­pu­ter in Betracht gezo­gen. Die Anla­ge muss­te in einem spe­zi­el­len Sicher­heits­dom Platz fin­den, was etwa die Anbrin­gung der Schalt­schrän­ke an der Sei­te not­wen­dig mach­te. Die Stut­zen­an­la­gen lie­gen, wie vom Kun­den gewünscht, teil­wei­se an der Unter­sei­te des Gerä­tes. Zum Auf­bau wur­de die Anla­ge in zwei Tei­len nach Mag­de­burg gelie­fert und dort mit einem Kran in die Ein­hau­sung aus Sicher­heits­glas gehoben.
Mit der Wär­me­über­tra­gungs­an­la­ge zur For­schung im Bereich Metha­ni­sie­rung hat das Unter­neh­men bereits zum zwei­ten Mal eine Anla­ge an das Max-Planck-Insti­tut gelie­fert. Dort ist man mit den Leis­tun­gen des Tem­pe­rier­an­la­gen­her­stel­lers mehr als zufrie­den: “Von der ers­ten Kon­zept­ent­wick­lung bis zur fina­len Ein­brin­gung vor Ort wur­den wir sehr gut bera­ten und betreut. Kein ande­rer ange­frag­ter Her­stel­ler hat die­se Fle­xi­bi­li­tät für unse­re spe­zi­el­le Auf­ga­be auf­brin­gen kön­nen”, erklärt Pro­jekt­lei­ter Jens Bremer.

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