Dampf wird in den verschiedensten Industriezweigen für Produktionsprozesse gebraucht. Anwendungen finden sich beispielsweise in der Getränkeindustrie, der Pharmazie oder auch in der Papierherstellung – und das schon seit vielen Jahren. Bereits um 1900 war klar, dass die unweigerlich auftretenden Schwankungen im Dampfverbrauch in Produktionsprozessen aus diversen Gründen vermieden werden sollten. Die Industrie setzte zu diesem Zweck auf Dampfspeicher, die allerdings extrem groß waren und den Dampf teilweise erst nach mehreren Stunden wieder bereitstellen konnten. Der schwedische Ingenieur Dr. J. Ruths entwickelte eine effizientere Speicherlösung, die 1922 in der „Schweizerischen Bauzeitung“ vorgestellt wurde – und noch heute eingesetzt wird. Daneben gibt es mittlerweile neue innovative Energiespeicherlösungen wie die ThermalBattery™ von ENERGYNEST, mit denen Dampf noch effizienter gespeichert werden kann.
Wie funktioniert ein Dampfspeicher?
Es gibt zwei Arten von konventionellen Dampfspeichern, die in der Industrie für verschiedenste Produktionsprozesse genutzt werden: Der Gleichdruckspeicher und der von Dr. J. Ruths entwickelt Gefällespeicher, auch Ruths-Speicher genannt. Beiden gemeinsam ist, dass sie aus druckstabilen Tanks gebaut sind und siedendes Wasser in flüssiger und gasförmiger Form beinhalten.
Das simple Prinzip des Gleichdruckspeichers
Der Gleichdruckspeicher stellt im Prinzip eine Erweiterung des Dampfkessels dar. Um den Speicher zu laden, wird Siedewasser aus dem Kessel in den Dampfspeicher geleitet. Wird erneut Dampf benötigt, gibt der Gleichdruckspeicher das Wasser mit etwas geringerer Temperatur wieder zurück an den Kessel. Es erfolgt in diesem System kein Druckausgleich, sodass ein konstant gleichbleibender Druck besteht.
Der Ruths-Speicher, der mit Überdruck arbeitet
Der Gefällespeicher (Ruths-Speicher) hat im Gegensatz zum Gleichdruckspeicher den Vorteil, dass er Dampf direkt bereitstellen kann, ohne den Umweg über den Dampfkessel zu nehmen. Er besteht im Inneren aus einem Dampfverteiler mit Düsen und Mischrohren. Wird Dampf zugeführt, kondensiert dieser im enthaltenen Wasser des Speichers, wodurch der Wasserstand steigt und ein Überdruck im Tank entsteht. Dieser trägt zusammen mit der Tankisolation zur Energieerhaltung des Wärmeträgermediums bei. Wird nun benötigter Dampf entnommen, sinkt der Druck wieder und eine Teilwassermenge verdampft. Dabei sinkt der Wasserspiegel, bis die Dampfkapazität des Tanks durch eine wiederholte Ladung erneut erreicht ist.
Vorteile von Dampfspeicher-Technologien für die Industrie
In Industrieanlagen kann der Bedarf an Dampf starken Schwankungen unterliegen. Art und Größe der Schwankungen sind abhängig von der Industrie und der jeweiligen Anwendung. Die Intervalle der auftretenden Lastspitzen können sich erheblich unterscheiden – und reichen von mehrmals täglich bis zu wöchentlich. Ein Dampfspeicher kann diese Schwankungen ausgleichen und sorgt dafür, dass ein Dampfkessel mit konstanter Last gefahren werden kann. Er verhindert auch, dass ein Dampferzeuger wegen zu hoher Dampfentnahme oder wegen Niedrigwasser abgeschaltet werden muss.
Effizienzsteigerung: Primärenergieverbrauch senken
Bei Nutzung eines Dampfspeichers im Herstellungsprozess wird Dampf wesentlich effizienter genutzt, weil die überschüssige thermische Energie nicht verlorengeht, sondern für einen späteren Zeitpunkt gespeichert werden kann. Der Primärenergieverbrauch ist zudem durch den konstanten Betrieb der Dampfkessel geringer. Hinzukommt, dass sich Prozesszeiten verkürzen und durch die kontinuierliche Dampfverfügbarkeit eine gleichbleibende Produktqualität gewährleistet wird.
Darum ist der Ausgleich von Lastspitzen so wichtig
Lastspitzen in Dampfkesselanlagen können zu verschiedenen Problemen in der Anlage führen. Auch aus diesem Grund sollten diese mit Hilfe von Dampfspeichern ausgeglichen werden sollten. Die aus den Lastspitzen resultierenden enormen Belastungen führen zu einem erhöhten Wartungsbedarf der Dampfkessel sowie einer reduzierten Lebensdauer.
Durch hohe Druckschwankungen kann es außerdem zu Wasserschlägen und damit auftretenden plötzlichen Änderungen der Druckrichtung kommen, die sich mit einem lauten Knall bemerkbar machen. Dies kann nicht nur schädlich für die Anlage sein, sondern auch gefährlich für den Menschen, wenn dabei Rohre oder Ventile beschädigt werden. Schlussendlich führen Lastspitzen bei der Dampfproduktion zu einer schlechten Brennstoffausnutzung und machen die Kesselfahrweise unwirtschaftlich.
Das bietet die ThermalBattery™ im Vergleich zu konventionellen Dampfspeichern
Der Ruths-Speicher zeichnet sich durch seine Einfachheit aus. Er ist schnell betriebsbereit und sein Speichermedium Wasser ist unkompliziert und kostengünstig zu beschaffen. Den geringen Betriebskosten stehen allerdings vergleichsweise hohe Kosten für den Druckbehälter entgegen. Steigt der Dampfdruck, muss die Stärke der Stahlwände des Speichers entsprechend angepasst werden. Vor allem ab Druckbereichen über 20 bar werden diese Art der Speicher daher sehr kostenintensiv in der Anschaffung. Hinzukommt, dass sie im Bereich Power-to-Heat und Dampfausgleich nicht wirtschaftlich rentabel eingesetzt werden können – und aufgrund der zunehmenden Größe durch die Isolierung zusätzlich viel Platz benötigen.
Dampfspeicherlösungen mit der ThermalBattery™ bieten hier eine kostengünstigere Alternative. Die initialen Investitionsausgaben fallen geringer aus als bei konventionellen Ruths-Speichern. Die ThermalBattery™ speichert Energie mit sehr geringen Verlusten und macht diese zum Zeitpunkt des Bedarfs sofort nutzbar. Darüber hinaus ist die ThermalBattery™ deutlich platzsparender, weil mehr Energie auf geringerer Fläche gespeichert werden kann und deutlich weniger isolierung benötigt wird. Sie bietet zudem erheblich mehr Flexibilität, da die Energiespeicherlösung mit der ThermalBattery™ zum einen für den Ausgleich des Dampfnetztes eingesetzt, aber auch in Power-to-Heat-Verfahren integriert werden kann. Dabei wird auf das bewährte Wirkprinzip der konventionellen Dampfspeicherung nicht vollständig verzichtet: Stellt die ThermalBattery™ direkt Dampf zur Verfügung, fungiert der ergänzend eingesetzte Kondensattank als Dampfspeicher.
ThermalBattery™ im Einsatz bei Yara International
Der Düngemittelhersteller Yara International hat die ThermalBattery™ bereits erfolgreich in seine Herstellungsprozesse integriert. Mit einer Kapazität von 4 MWh gleicht die ThermalBattery™ die lokale Dampfproduktion aus und kann so die Menge des abgelassenen Überschussdampfes reduzieren. Dadurch ergaben sich im ersten Jahr Einsparungen beim Stromeinkauf von 12 GWh und damit einhergehende Einsparungen von 6 Kilotonnen CO2. Das Yara-Werk in Porsgrunn in Norwegen wurde so nicht nur deutlich flexibler und effizienter, sondern auch umweltfreundlicher.
