TECHNO LOG 10

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Bayerisches Zentrum für
Angewandte Energieforschung
TECHNO LOG 10
29 April 2010
29.
2010, FH Wels
Bedeutung
g thermischer Speicher
p
für die Nutzung Erneuerbarer Energien
Wolfgang Schölkopf
ZAE Bayern
Walther-Meißner-Straße 6, 85748 Garching
www.zae-bayern.de
[email protected]
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
3. klima:aktiv
ä epu pe ag
Wärmepumpen-Tag
Bedeutung thermischer Speicher
für die Nutzung Erneuerbarer Energien
Inhalt:
1 Vorstellung ZAE Bayern
1.
2. Grundlagen der Wärmespeicherung
3. Techniken der Wärmespeicherung
p
g
4. Beispiele:
- EE mit Wärmespeicher
- effiziente Energienutzung mit Wärmespeicher
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Bayerisches Zentrum für
Angewandte Energieforschung
Uni-Würzburg
Abteilung 2
z Würzburg
z
Erlangen
Uni-Erlangen
Abteilung 3
z
Garching
Umsatz 7 Mio. €
TU-München/Garching
Abteilung 1
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Mitarbeiter 160
ZAE Bayern Struktur und Arbeitsfelder
Abt 2
Abt 1
Abt 3
Technik für
Energiesysteme
und
erneuerbare Energien
Funktionsmaterialen
der Energietechnik
Thermosensorik
und Photovoltaik
Wärmespeichersysteme
Energieeffiziente
Gebäude
Dünnschichtphotovoltaik
Elektrochemische Wandlung
und Speicherung
Thermische Analyse
PV-Module
Wärmetransformation
Angewandte IR−Metrologie
Thermosensorik
Solarthermie
Biomasse/ Geothermie
Nano−Materialien
Organische PV und Elektronik
Erneuerbare Energien
Effiziente Energieumwandlung, -speicherung
speicherung und -nutzung
nutzung
Querschnittsthemen (Materialien, Messtechnik)
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Keramische Werkstoffe
Grundlagen der Energiespeicherung
Primärenergie
Angebot / Energiequelle:
¾Solare Strahlung
¾Fossile Brennstoffe
¾Nukleare Brennstoffe
¾Geothermie
¾Wind
¾…
Endenergie
¾Wärme
¾Kälte
¾mech. Kraft
¾Strom
¾Kraftstoffe
Speicherung
zur Anpassung:
¾Z it (incl.
¾Zeit
(i l Leistung)
L i t
)
¾Ort
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Nutzenergie
Bedarf beim Verbraucher:
¾Wärme
¾Kälte
¾Licht
¾mech. Kraft
Aspekte der Energiespeicherung
Wirtschaftliche Vorteile
Investitionskosten:
– Spitzenlastpufferung vermeidet Ausbau der Anschlussleistung
– …
Betriebskosten:
– Vermeidet Spitzentarif
– Zwischenspeicherung erschließt Abwärmenutzung …
Fragestellung
F
t ll
für
fü Wi
Wirtschaftlichkeit
t h ftli hk it eines
i
S
Speichers:
i h
¾ Steht ein Versorgungsnetz zur Verfügung
oder ist es eine Insellösung?
¾ Verbessert
V b
t der
d th
thermische
i h S
Speicher
i h d
den Wi
Wirkungsgrad
k
d
von Komponenten bzw. des Systems?
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Grundlagen der Energiespeicherung
Energetische Vorteile:
– Nutzung
N
E
Erneuerbarer
b
E
Energien;
i
z.B.
B S
Solarwärme,
l
ä
Käl
Kälte d
der N
Nacht,
h …
– Nutzung von Abwärme und –kälte;
z.B. Kraft-Wärme-Kopplung,
pp g, Verdampfen
p
von Flüssiggas
gg
– Steigerung des Wirkungsgrads bei der Energieumwandlung,
z.B. beim Betrieb von Wärmepumpen / Kältemaschinen
Kenndaten von Wärmespeicher:
- Temperaturbereich
- Leistung
g
- Kapazität
- Umweltverträglichkeit
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Einsatz von Wärmespeichern
Industrielle Prozesswärme
Wärmebedarf
Heizung
Brauchwasser
20°C
30°C
40°C 50°C
60°C
70°C
80°C
90°C 100°C 110°C 120°C
Temperatur
Wärmeangebot
Solarkollektoren
Kraft-Wärme-Kopplung
Außenluft
Boden und Grundwasser
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Prinzip: Direkt / Indirekt
Direkte Wärmespeicherung:
Fühlbare Wärme oder PCM
Q
Wärmequelle
T
Erwärmen
Schmelzen
Verdampfen
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Speicher
S
T
⎛ ∂S ⎞
Q sens = ∫ Tc P ⋅ dT = ∫ T ⎜
⎟ ⋅ dT =T ⋅ Δ S 21
Q lat =T ∫ c P ⋅ dT +T Δ⎝H∂lsT =⎠ T ⋅ Δ S 21 + T ls ⋅ Δ S ls
T2
T2
2
1
1
T1
Schwer zu handhaben!
Prinzip: Direkt / Indirekt
Indirekte Wärmespeicherung
Umwandlung in Arbeit
Q
Konverter
Wärmequelle
T
W
Ta
Si
S
Speicher
S´
Umkehrbare
chemische Reaktionen
Q´
Q
Ta
Q
Reaktor
B
AB/A
S
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Wärmespeicherung
Methoden der Wärmespeicherung:
• Speicherung fühlbarer Wärme
Speicherkapazität ≈ 100 MJ/m³
Speichervolumen ≈ 10 m³
• Speicherung latenter Wärme (PCM)
Speicherkapazität ≈ 300-500 MJ/m³
Speichervolumen ≈ 2,5 m³
• Thermochemische Wärmespeicherung
Speicherkapazität ≈ 1000 MJ/m³
Speichervolumen
p
≈ 1 m³
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Experimente
PCM
T
Tempera
atur
Temperatur des
Phasenübergangs
Temperaturbereich
T
t b i h
der Anwendung
nutzbare Speicherkapazität
gespeicherte Wärmemenge
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Wärme- und Kältespeicherung
Phasenwechsel fest-flüssig: Materialien (PCM)
Fluoride
K b
Karbonate
900
800
Chloride
Schmelzeenergie [kJ//L]
700
Faktor 9
600
500
Hydroxide
Salzhydrate
Nitrate
400
0,1 kWh/L
Wasser
Zucker300 wässrige
alkohole
Salzlösungen
200
Paraffine
Fettsäuren
100
Chlatrate
© ZAE
Ba
Bayern
ern Kältespeicherung
Wasser
W
b
beii sensibler
ibl
Kält
i h
Bei ΔT=40K: 160kJ/L ≈ 0,044 kWh/L
Wasser bei sensibler Kältespeicherung
Bei ΔT=10K: 40kJ/L ≈ 0,011 kWh/L
0
-100
0
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+100
+200
+300
Schmelztemperatur [°C]
+400
+500
+600
+700
+800
Thermochemische Wärme- / Kältespeicherung
Phasenwechsel flüssig-gasförmig bei Wasser:
Durch Adsorption
p
an Festkörpern
p
hoher Porosität, z.B. Zeolith, Silicagel
g
• Zeolithpellets in einer Festbettschüttung
• Luft für den Wärme- und Stofftransport
Laden
Desorption
Entladen
Adsorption
Luft +
Wasser
Luft +
Wasser
Verdampfungsenthalpie (NT)
Zeolith
Luft
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DesorptionsDesorptions
wärme
Luft
Adsorptionswärme
+
Kondensationsenthalpie
Thermochemischer Sorptionsspeicher
„„Wärme in Raumkälte“
Entladen / Adsorption
p
warm,
trocken
desorbierter
L ft
Luft
Zeolith
kühl
abkühlen
mit
Umgeb.-Luft
Befeuchter
in Flüssigkeiten (Absorption) z.B. Salzlösungen
⇒ Zusatzeffekt kühlen und entfeuchten
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Beispiele:
EE-Systeme
y
mit Speicher
p
L
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Wärmespeicher für Heizung und Warmwasser
Wasserspeicher (sensible Wärme)
- Temperaturbereich
p
bis etwa 90 °C
- Kosten: für Speicher etwa 1000 €/m3
(bei ΔT = 40 °C ca. 45 €/kWh)
- Wirtschaftlich über Tage
Latentwärmespeicher
- Temperaturbereich bis etwa 100 °C
- Mit Paraffinen oder Salzhydraten
y
befüllt
- Kosten: LWS 750 der Fa. Schneider
etwa 49 €/kWh
- Wirtschaftlich über Tage
- Vorteil kleineres Volumen als Wasserspeicher
htt //
http://www.consolar.de/index.html
l d /i d ht l
http://www.alfredschneider.de/prod05.htm
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Andsol 1 - 3
Betriebsstart des Andasol 1 Kraftwerks ((50 MWel) im Dez 2008
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Bau der Andasol - Kraftwerke
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Einsatz von Kältespeichern
Kältespeicher im Bereich der industriellen Prozesskälte
Stand der Technik:
- Kaltwasserspeicher
- Latentkältespeicher mit Eis oder Salzlösung für T< 0 °C
Modularer Speicher:
Cristopia
p für T ≤ 0 °C
Kommerzielles System mit
Wärmeübertrager und Eis
(http://www.bio-radiant.com/PolarBearFR.html)
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Latentwärmespeicher in einer
solar gestützten Heizung
te
emperature [°C
C]
Zwischen 25-35 °C
10 fache Kapazität
Vom Wasserspeicher
36
32
28
24
20
outlet storage 1
outlet storage
g 2
storage 1
storage 2
inlet
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00
0
power, heating 36 C
power [kW
W]
-2
-4
-6
storage 1
storage
t
2
-8
-10
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00
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Effiziente PCM-Wärmespeicher
für den Temperaturbereich 100-150
100 150 °C
C
Enthalpie HDPE
Abkühlmessung "PEX"
PEX
15.01.08
50
cooling PEX [BWP08001]
cooling PEX + Graphit [BWP08002]
0
entha
alpy [J/g]
Zielsetzung:
e set u g
Entwicklung effizienter Wärmespeicher
für industrielle Anwendungen im Temperaturbereich
100-150°C
100-150
C mit hoher Energiedichte.
Energiedichte
-50
dT = 20 K
dH = 150 J/g
-100
-150
-200
50 J/g = 2,5 J/gK = c
p
20 K
-250
Ansatz:
PCM-Speicher
PCM
Speicher oder durch Kombinationen aus
PCM und Flüssigkeiten entwickeln
-300
60
80
100
120
140
160
temperature [°C]
Berieselungseinheit
V
Vorgehen:
h
Bau und
B
dT
Testt von Funktionsmuster
F kti
t
Material HDPE PEX
Fluid
Schüttung
• Fluid über Schüttung aus PCM
• Wasser durch die Schüttung
g aus PCM
• Variante mit anderem PCM
Waage
g
Wärmeentnahme
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Waage
22
Monate und Stunden
Tagesspeicher zur Raumklimatisierung: Eisspeicher
Nagoya Station, Japan
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Superisolierter H2O-Wärmespeicher
Motivation:
• Solarisierung
S l i i
im
i G
Gebäudebestand
bä d b t d mit
it
externem (10-100 m³) Speicher
• Hohe CO2-Einsparung
Einsparung durch
• ≈ 70 % solare Deckung bei EFH
• ≈ 40-50 % solare Deckung für
MFH (3
(3-12
12 WE)
Projektansatz:
• Zylindrischer Speicher mit evakuierter
(0,05 mbar) Pulverisolation (λ =5
mW/m∗K)
• Schichtbeladung bis 130 °C
C
Projektziel:
• Entwicklung und Optimierung eines
solaren Systems mit hocheffizienten
Kollektoren, Speicher und Wärmepumpe
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Saisonale Wärmespeicher
sensible Wärmespeicherung im Boden
- UTES=ATES, BTES, CTES
Underground Thermal Energy Storage =
Aquifer …
Borehole …
-
-
Temperaturbereich prinzipiell bis 90 °C
C,
Begrenzung durch Chemie, Physik und Nutzungsrechte
ATES und BTES meist mit Einsatz einer Wärmepumpe
Kostengünstig ⇒ wirtschaftlich über Monate oder saisonal
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Cavern …
Reichstag
g in Berlin
Aquifer Wärme- und Kältespeicher als integraler
Bestandteil des Energieversorgungskonzeptes
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ZAE BAYERN
Energiekonzept mit Kraft-Wärme-Kältekopplung
Aquiferspeicher im Reichstag
1.
BHKW Abwärme im Sommer als Antrieb für
BHKW-Abwärme
Absorptionskältemaschinen zur Kühlung
der Gebäude
2
2.
Abwärmeüberschüsse
Ab
ä
üb
hü
werden
d iim
Aquifer in 300 m Tiefe saisonal gespeichert
Laden im Sommer:
2.650 MWh/a bei ~ 70°C
Entladenim Winter:
2.050 MWh/a bei 60 – 25
25°C
C
3.
Kälte wird Aquifer in 60 m Tiefe saisonal gespeichert
Laden: im Winter :
4.250 MWh/a
mitit U
Umluft
l ft bi
bis ~5
5 °C,
°C
4.
Entladen im Sommer:
zwischen
sc e 6 – 10
0 °C
C
300 m
2.950 MWh/a
Bild Geothermie Neubrandenburg
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Erdwärmesonden als Wärmequelle/-senke
Erdwärmesonden, parallel durchströmt
Storforsen Hotel / Schweden
33 EWS à 160 m
Erdwärmesonden zum Heizen und Kühlen von Gebäuden, wie Hotels und Gewerbebauten
EON Werkhof Kolbermoor,
13 EWS à 120 m Bild: E. Rohner
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Fraunhoferinstitut für Digitale
Medientechnik, 34 EWS à 100 m
Bürogebäude (FhG –Inst. Digitale Medientechnik)
Gebäudedaten
Beispiel Bürogebäude
2.600
2
600 m²
m Bürofläche
1.100 m² Laborfläche
mit Bauteilaktivierung
I. Feld bevorzugt für direkte
Kühlung
II. Feld für direkte Kühlung
+ Abwärmedeponierung aus
dem Betrieb der KKM
18 Sonden, Abstand 10 m
Heizbedarf und Abwärme aus Kälteerzeugung
100.000
Heiz- und
d Kühlenergieverrbrauch in kWh/M
Monat
Energiekonzept:
Zwei getrennte Sondenfelder
+ umschaltbare, erdgekoppelte
KWP bzw. KKM
Heizwärmebedarf:
414 MWh/a
Kühlenergie (fast ganzjährig):
338 MWh/a
Interne Wärmequellen: Nutzer, Serverraum + Abwärme
90.000
80.000
70.000
60.000
50.000
40.000
30.000
20.000
10.000
0
Jan
Feb
Mär
Apr
Mai
Heizenergieverbrauch
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Abwärme aus der Kühlung
Nov
Dez
Monat
Simulationsergebnisse
Sondenfeld I
Simulationsergebnis
g
((1))
Kühlung ist sehr wichtig!
Deshalb will man aus energetischen und wirtschaftlichen Gründen viel direkte Kühlung
ohne
h KKM-Betrieb
KKM B i b
=>
Sondenfeld mit 18 (3x6) Sonden, direkte Kühlung,
10 m Abstand,
Abstand halbe Last
Last,
Heiz-WP COP = 3,5
Betrieb:
Temperatur aus EWS-Feld bei ca. 16 °C – Grenze, deshalb bis Mitte Mai direkte Kühlung,
=> danach werden die Kältemaschinen eingeschaltet und deren Abwärme in den Untergrund geleitet
Verlauf
max. und min. Temperatur über 25a
40
Temperaturverlauf im 25. Jahr
40
35
Annual min--max fluid temp. [ºC]
35
Fluid te
emperature [ºC]
30
25
20
15
10
5
30
25
20
15
10
5
0
0
-5
-5
JAN
FEB
MAR
APR
Base load
MAY
JUN
JUL
Year 25
Peak cool load
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
AUG
SEP
OCT
Peak heat load
NOV
DEC
2
4
6
8
Peak min
10
12
14
Year
Peak max
16
Base min
18
20
Base max
22
24
Simulationsergebnisse
Sondenfeld II
Simulationsergebnis
g
((2))
•
•
2. Sondenfeld, Kühlung mit KKM
Schon Ende März 16 °C
C (Ende der direkten Kühlung)
Temperaturen ~ 5 K höher,
danach Kältemaschinen
zugeschaltet
langfristig ist kein signifikanter Anstieg der Temperaturen zu befürchten
•
=>
=>
Hydraulische Aufteilung der Sonden mit einem geschickten Be- und Entlademanagement verlängert
sich die Phase der direkten Kühlung. Diese Optimierung ist Ziel der Messkampagne.
Verlauf max. und min. Temperatur über 25a
Temperaturverlauf im 25. Jahr
40
35
35
Annual min--max fluid temp. [ºC]
40
Fluid te
emperature [ºC]
30
25
20
15
10
5
30
25
20
15
10
5
0
0
-5
-5
JAN
FEB
MAR
APR
Base load
MAY
JUN
JUL
Year 25
Peak cool load
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
AUG
SEP
OCT
Peak heat load
NOV
DEC
2
4
6
8
Peak min
10
12
14
Year
Peak max
16
Base min
18
20
Base max
22
24
Monate und Stunden
„Solare Nahwärme Attenkirchen“
• Im Vergleich zu konventionellen Einzelölheizungen ca. 55 %
Primärenergieeinsparung
• 58 % g
geringere
g
CO2 – Emissionen
• solarer Deckungsanteil von 66 - 88 %
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Saisonaler Speicher Attenkirchen
Speicher:
500 m³ Erdbeckenspeicher
9.350 m³ Erdwärmesondenspeicher
90 S
Sonden,
d
30 m tief
i f iin sandigem
di
T
Ton
Speicherkapazität 7.300 m³ Wasseräquivalent
Betrieb: seit Herbst 2002
⇒ 55 % solarer Deckungsanteil
⇒ 58 % CO2-Einsparung
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Saisonal Speicherung
p
g von solarer Wärme
• Kombination Wasserspeicher/ Erdwärmesondenspeicher
• Saisonale Wärmespeicherung im Erdreich
• Erdbeckenspeicher als Pufferspeicher Verluste gehen ins Erdreich
Wärmedämmun
g
Parkplatz
Wasserspeiche
r
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Betonwand ohne
Wärme
WärmeDämmung und
Abdichtfolie
Anschlußschac
ht
Erdwärmesonde
n
Einsatz von Wärmespeichern
S l k ll kt
Solarkollektoren
Heizzentrale
Saisonaler
Speicher
Nahwärmenetz
Betrieb seit 2007
Monitoring für 2 Jahre bis Ende 2009
Investition und Begleitforschung
werden vom BMU im Programm
Solarthermie 2000plus gefördert
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Saisonaler Wärmespeicher für Solarwärme
Neubaugebiet am Ackermannbogen / München,
320 Wohnungen mit 30.400 m² BGF
Ziel: 50 % solare Deckung von 2.300 MWh/a für Heizung und Brauchwarmwasser
S l
Solares
N
Nahwärmesystem:
h ä
t
50% Wärme
50%
aus 2900 m² Kollektoren kombiniert mit
6.000 m³ geschichtetem Warmwasserspeicher
aus Fernwärme über eine Absorptionswärmepumpe,
Speicher ist Niedertemperaturreservoir
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Saisonaler Wärmespeicher für Solarwärme
Pufferspeicherbetrieb
Winterbetrieb
Sommerbetrieb
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Effiziente Energienutzung
und
d
CO2-Einsparung
Einsparung
mit
thermischen Speichern
p
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Slurry- oder Container-Einsatz
Beispiel für Slurry-Einsatz : Narita Airport/Japan
• Hohe
H h S
Speicherkapazität
i h k
ität mit
it mikroverkapseltem
ik
k
lt
P
Paraffin
ffi iim Sl
Slurry
• Schmelzpunkt bei 8 °C
• Wegen höherer Schmelztemperatur als Eis höherer COP der KKM
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Mobile Wärmespeicher
Mobiler Sorptionsspeicher
Zeo
Ladestation
Z
Zeo
LKW + Container
Zeo
Nutzer A
Zeo
Nutzer B
+ Nutzer C
C, D
D, …
•
•
•
BHKW
Müllverbrennung
Industriebetrieb
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•
•
•
•
Klimatisierung
S
Schwimmbäder
ä
Trocknung
…
Mobile Wärmespeicher
Abwärmequellen
Aluminium Walzwerk
• Nachverbrennung bei 230°C
• Reine Abwärme, die nicht
permanent bereitsteht
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•
•
•
•
Müllverbrennung
Dampf von der
Extraktionsturbine
150°C
Abnahme reduziert
Stromproduktion
Non-stop Betrieb
Mobile Wärmespeicher
Beispiel:
p
Nutzung
g industrieller Abwärme
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Mobiler Sorptionsspeicher
Systembeschreibung
Umgebauter Standard-Frachtcontainer.
Zeolithvolumen
18,7 m³
Zeolithmasse
15 t
Dicke der Schüttung
0,8 m
Querschnitt der Schüttung
23,2 m²
Max.
a Luftvolumenstrom
u t o u e st o 20.000
0 000 m³/h
/
M i gespeicherte
Maximale
l thermische
th
i thermische
h Leistung
L i t
von
Maximal
Energie
ca.51MWh
MW
ca.
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Mobile Sorptionsspeicher
Umweltrelevanz: CO2-Emissionen
900
800
[t//a]
700
Gasbrenner
Hilfsenergie
T
Transport
t
600
500
400
300
200
100
0
Zeolith
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ohne mobilen
Speicher
Mobile Wärmespeicher
Parameterstudie: Betriebsstunden pro Jahr
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Energieeffizienter Geschirrspüler mit Zeolith
Ellektr . Powerr
Konventioneller Geschirrspüler
2 kW
Heating
50 °C
Heating
60 °C
Electric
Heater
Electric
Heater
Washing
Prewashing
Drying
(Evaporation)
Pump
I
Innovativer
ti
Geschirrspüler
G
hi
ül mit
it Ad
Adsorptionstechnik
ti
t h ik
Time
Elektr . Powerr
Heating
50 °C
2 kW
Electric
Heater
Prewashing
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Ventilator
Washing
Pump
Drying
(TES)
Ventilator
Time
Geschirrspüler speedMatic mit Zeolith®-Trocknung
• speedMatic Geschirrspüler mit Zeolith®-Trocknung
setzen
t
Maßstäbe
M ß täb in
i Geschwindigkeit
G
h i di k it und
dG
Gründlichkeit
ü dli hk it
• Sie erhöhen verbessern die Sparsamkeit und
den Komfort.“
Energie und CO2-Einsparpotential:
Rahmenbedingungen:
¾Jahresstückzahl Deutschland gesamt (aller Marken u
u. Hersteller): ca
ca. 1
1,8
8 Millionen
¾Spülgänge / Jahr: 250 Spülgänge
¾Produktlebensdauer: 10 Jahre
¾1kWh = 0,5kg CO2 (EU-Energiemix)
Einsparung
pro Jahr
Energie
110 GWh/a
CO2 Ausstoß
56.000 t/a
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Zusammenfassung und Ausblick
¾ Es gibt Speicher mit einem breiten Spektrum an Eigenschaften
¾ Wärme- und Kältespeicher können Systeme energetisch und wirtschaftlich
wesentlich verbessern
¾ Wichtig ist eine optimale Speicherauswahl und Systemeinbindung
¾ Wärme- und Kältespeicher werden in der Zukunft einen wichtigen Beitrag bei
der Erschließung Erneuerbarer Energien und Effizienzsteigerung leisten
Ansprechpartner
p
p
am ZAE Bayern
y
finden sie unter
http://www.zae-bayern.de/deutsch/abteilung-1/arbeitsgebiete/
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit
© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V.
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