Lehre und Forschung

Universität Kassel
Fachbereich Architektur - Stadtplanung - Landschaftsplanung
Gottschalkstraße 28
34109 Kassel
Masterarbeit zum Thema:
Machbarkeitsstudie zur mobilen Abwärmenutzung bei
Verbrennungsmotoren durch thermochemische Speicher und
dessen Nutzung für die Gebäudeheizung
Von Melina Geißler
Ausgangssituation
Beim Umbau des konventionell ausgelegten Energiesystems in Deutschland hin zu einer
regenerativen Versorgung ist die Berücksichtigung des Gebäudebereichs als ein integraler
Bestandteil des Gesamtsystems zwingend notwendig. Vor diesem Hintergrund muss neben
den Anforderungen an die Energieeffizienz des Baukörpers und des Heizsystems auch die
Einbindung erneuerbarer Energien in die Bewertung mit einbezogen werden. Aktuell wird
bereits im Bereich der elektrischen Energie eine Verbindung zwischen Gebäude und
Mobilität diskutiert. Beispielsweise können gebäudeintegrierte PV-Anlagen bei einem
Überangebot an regenerativen Strom die Batterien von Elektrofahrzeugen laden.
Aufgabenstellung
Im Rahmen dieser Masterarbeit soll eine weitere Möglichkeit zur Verknüpfung der Bereiche
Gebäude und Mobilität betrachtet werden. Dabei ist zu untersuchen, ob Verbrennungsmotoren herkömmlicher Kraftfahrzeuge, als auch von Hybrid- und Elektrofahrzeugen
(Range Extender-Prinzip) als Heizsystem in Gebäuden genutzt werden können. Die
Abwärme des Verbrennungsprozesses wird dabei nicht wie sonst üblich an die Umgebung
abgeführt, sondern in eine mobile Speichereinheit zwischengespeichert und anschließend
dem Heizsystem des Gebäudes zugeführt. Dabei wird der Brennstoff durch die KraftWärme-Kopplung mit hoher primärenergetischer Effizienz ausgenutzt. Für die
Dimensionierung des Systems sind geeignete thermochemische Speichermaterialien auf
ihre Eignung zu überprüfen und ein mögliches Konzept für die Gebäudeanbindung
zwischen Fahrzeug und Heizsystem vorzuschlagen. Die Ergebnisse der Machbarkeitsanalyse sollen Aufschluss über die energetische, technische und wirtschaftlichen
Realisierbarkeit einer derartigen Verknüpfung geben und mögliche Hemmnisse aufzeigen.
Vorgehensweise
1. Recherche zu bereits durchgeführten Arbeiten mit ähnlicher Thematik
2. Berechnung der nutzbaren Wärmeenergie auf Basis unterschiedlicher
Rahmenbedingungen wie z.B. Unterschied im energetischen Gebäudestandard
3. Aufstellung des energetischen, technischen und wirtschaftlichen Potentials
4. Bewerten der Machbarkeit eines solchen Systems
Zusammenfassung und Ausblick
Die vorliegende Masterarbeit bearbeitet die Realisierungsmöglichkeiten von Verknüpfungen
zwischen Fahrzeugen und Gebäuden auf wärmetechnischer Ebene. Von besonderem
Interesse waren hierbei die Untersuchungen der bereitgestellten Wärmeenergie des
Fahrzeugs und dessen Nutzen für die Deckung des Heizwärmebedarfs eines Gebäudes.
Darüber hinaus standen thermochemische Speichermaterialien für die Konzeptentwicklung
der mobilen Abwärmespeicherung im Fokus der Analyse. Es wurden Variationstypen
zugrunde gelegt, deren Unterschiede in der Gebäudegröße, dem Energiestandard, der
Fahrzeugleistung und -anzahl sowie im Nutzerprofil bestanden.
Die Potentialabschätzung und fahrzeugspezifische Detailberechnungen ergaben auf
theoretischer Ebene, dass die Abwärmeproduktion im Verbrennungsmotor des Kraft-,
Hybridfahrzeugs und Range-Extenders generell einen Anteil des Heizwärmebedarfs decken
kann. Des Weiteren wurde aufgezeigt, dass der tägliche Wärmebedarf für die
Warmwasserbereitung von jedem Fahrzeug-Variationstyp zur Verfügung gestellt werden
kann. Die Realisierung einer derartigen Technologie im Sinne der Ausnutzung von bereits
verfügbarer oder „kostenloser“ Wärmeenergie erscheint demnach sinnvoll.
Insgesamt wirkt sich eine höhere Anzahl an eingesetzten Fahrzeugen positiv auf eine
größere speicherbare Wärmemenge und im Gegenzug auf eine kleinere Speicherdimension
für jedes einzelne Auto aus. Der jeweilige tägliche Deckungsanteil ist dagegen je nach
Variationstyp unterschiedlich. Für ein energetisch unzureichend erstelltes Gebäude, wie z.B.
der untersuchte un- und sanierte Altbau der 50er Jahre, ergibt sich für das Einfamilienhaus
nur ein geringer Wärmeanteil am täglichen Gesamtheizbedarf, der von allen drei
Fahrzeugarten bereitgestellt werden kann. In diesem Fall kann nur der Einsatz von mehreren
Autos den Deckungsanteil positiv beeinflussen. Die älteren Energiestandards sind somit für
den Einsatz einer möglichen Abwärmespeicherung aufgrund des hohen spezifischen
Heizwärmebedarfs und des geringen Nutzens nur bedingt zu empfehlen. Sollte dessen
ungeachtet eine Systementscheidung getroffen werden, eignen sich „reine Kraftfahrzeuge“
oder Range-Extender mit dem Nutzerprofil des Berufspendlers für den Einsatz am ehesten,
da mit Hilfe dieser Voraussetzungen mehr Abwärme erzeugt werden kann.
Die energetisch sinnvollsten Anbindungsvarianten bestehen für ein nach „EnEV 2009“
ausgelegtes Gebäudes oder für ein Passivhaus. Da der tägliche Heizwärmebedarf über die
Motorabwärme z.T. bis zu 100 % gedeckt werden könnte, wäre sogar eine monovalente
Betriebsweise der Sorptionstechnik bei jenen Gebäudetypen möglich. Ausschließlich das
Einfamilienhaus
des
„EnEV“-Energiestandards
erforderte
einen
zusätzlichen
Wärmeerzeuger. Dies steht allerdings im direkten Zusammenhang mit der Annahme einer
sehr hohen Wohnfläche (240 m²), so dass bei kleinen Einfamilienhäusern möglicherweise
ebenfalls auf einen weiteren Wärmelieferanten verzichtet werden könnte. Das untersuchte
Nutzerprofil eines „Durchschnittsbürger“, der insgesamt 3,4 Wege à 14,7 km am Tag
zurücklegt, schneidet für die jüngeren Energiestandards im Vergleich zum Berufspendler, der
nur zwei Wege à 25 km fährt, besser ab. Dies liegt an den deutlich niedrigeren
Wärmeüberschüssen im Sommer für das Nutzerprofil „Durchschnittsbürger“.
Aus der Fahrzeuganalyse ist zudem das antizyklische Verhalten zwischen verfügbarer
Abwärme und Heizwärmebedarf erkennbar. In den Winter- und Herbstmonaten besitzen die
Gebäude einen hohen Wärmebedarf. In dieser Zeit wird jedoch von den betrachteten
Fahrzeugen am wenigsten Abwärme produziert. Generell ist diese Situation als großes
Manko für die mobile Wärmespeicherung in Verbindung mit dem anschließenden Einsatz in
der Gebäudeheizung anzusehen.
Bei der Analyse von Speichermaterialien stellten sich die festen Sorptionsmittel Silikagel und
Zeolithe 13 X und das flüssige Medium Lithium-Chlorid als besonders geeignet dar. Im
direkten Vergleich bietet der Einsatz von Lithium-Chlorid angesichts einer höheren
Speicherdichte, die wiederum zu einem kleineren Speichervolumen führt, erhebliche Vorteile.
Darüber hinaus kann ein Speicherkonzept gewählt werden, das für die Entladung keiner
direkten Kopplung zwischen Fahrzeug und Gebäude bedarf. Dies führt für den Nutzer zu
einem deutlichen Gewinn hinsichtlich der Flexibilität der Fahrzeugverfügbarkeit. Nachteilig
wirken sich jedoch die hohe Korrosion und Kristallisation bei LiCl aus, so dass aufwendige
Anpassungen bei der Systemauslegung in Kauf genommen werden müssen. Zudem lassen
sich die eventuellen Folgen bzw. die Gefahr des korrosiven Lithium-Chlorids bei einem
Verkehrsunfall nicht detailliert vorhersagen. Im Hinblick auf die spezifischen Kosten im
Bereich von 3000 - 4000 €/m³ sind alle der drei Sorptionsmittel ohne nennenswerten
Unterschied.
Die Analyse des Anbindekonzepts zwischen Fahrzeug und Gebäude zeigt, dass für die
Speicherentladung eine Feuchtequelle benötigt wird, um eine Ab-/Adsorption einleiten zu
können. Dies setzt in den Gebäuden eine Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung
voraus, mit der über die Abluftfeuchte die Sorptionswärme genutzt werden kann. Bei näherer
Betrachtung ist jedoch erkennbar, dass die im Winter zur Verfügung stehende Abluftfeuchte
eines KfW-Effizienzhaus 40 nur eine Wärmemenge von etwa 6 % des jährlichen
Heizwärmebedarfs (450 kWh/a) aus dem Absorber freisetzen kann. Der hohe technische
und finanzielle Aufwand, der für eine Umsetzung der mobilen Abwärme-nutzung erforderlich
wäre, kann durch den geringen energetischen Nutzen somit nicht gerechtfertigt werden.
Letztendlich kristallisiert sich die Problematik des Entladungsvorgangs als größtes
Realisierungshemmnis heraus. Während andere aufgezeigte Hindernisse möglicherweise
mit technischem Fortschritt oder weiterer Forschung behoben werden könnten, erweist sich
die fehlende Abluftfeuchtigkeit im Winter als K.O.-Kriterium für eine Verknüpfung zwischen
Fahrzeug und Gebäude. Anschließende Untersuchungen verschiedenster Gebäudetypen,
wie beispielsweise industriell und gewerblich genutzte Gebäude oder Schwimmbäder mit
hoher Feuchtelast, sollten in dieser Richtung erfolgen. Weiterhin wäre es sinnvoll
Lastkraftwagen in die Betrachtung einzubeziehen, die den benötigten Platzbedarf eines
möglichen Speichers einfacher bereitstellen könnten. Darüber hinaus ist eine Prüfung von
anderen Materialien wie z.B. Phasenwechselmaterialien denkbar.