Wärmespeicher aus Spezialbeton

Wärmespeicher aus Spezialbeton
Josef Kaufmann + Frank Winnefeld
Laboratory for Concrete and Construction Chemistry
Problemstellung
2500
Flachbettkollektoren
Vakuumkollektoren
2000
Normalhaus
Energie [kWh]
Passivhaus
1500
1000
500
0
1
2
3
4
5
6
7
Monat
8
9
10
11
12
2
1
Problemstellung
“Bedarfslücken”
3
Problemstellung
“Öko-Produktionslücken”
(Deutschland, Quelle ISE Fraunhofer)
4
2
Problemstellung
Jahresverlauf
(2013/2014)
5
Problemstellung
Monatsverlauf
(März 2013)
6
3
Beton als Speichermaterial
• Konventionell : Sensible Energiespeicherung
-
Ausnutzung der Wärmekapazität von Beton von ca. 1.1 bis 1.13 kJ/kgK
-
Kurz- bis mittelfristige Speicherung
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Beton als saisonales Speichermaterial
• Neu : Latente Energiespeicherung mit Beton
“Chemische”
Umwandlung
Langfristige Speicherung
•
•
•
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
↔
verlustfrei
saisonal
preiswert
3CaO·Al2O3·3CaSO4·12H2O + 20H2O
8
4
Speicherprinzip
600 kJ/kgEttringit
Ettringit
Entwässerung > 60 C
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
Meta-Ettringit
↔
3CaO·Al2O3·3CaSO4·12H2O
+
20H2O
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CSA-Beton
Ein neuartiger (kommerziell erhältlicher) Zement (Calcium sulfoaluminat
CSA) ermöglicht einen Beton mit sehr hohem Ettringit-Anteil.
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5
CSA-Beton
0.25 x 1 x 1 m3
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Thermo-Speicher
Laden (Sommer)
Heizen (Winter)
• Wärme (solar oder
Umgebung) wird durch
den Spezialbeton
geführt und heizt
diesen auf.
• Durch Zugabe von Wasser
(oder Dampf) wird die
Phasenumwandlung
umgekehrt, dies bei frei
wählbarer Temperatur.
• Dabei gibt das Trägermineral Ettringit
Kristallwasser ab
(> 60 C).
• Dabei wird Wärme frei,
welche zum Heizen genutzt
werden kann.
• Es entsteht wieder das
ursprüngliche Mineral.
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6
Thermo-Speicher
Zwei mögliche Speichertypen: Unterscheidung durch Art der Wärmerückgewinnung
“Wasser” (kap. Saugen)
• Einfach
• Schnelle Wärmefreisetzung
• Grosser Temperaturhub
“Dampf” (Sorption)
•
•
•
•
Grosse Dampfmengen
Zus. Kondensationswärmerückgewinnung
Luftkanäle => weniger Speichermaterial
geringer Temperaturhub
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Thermo-Speicher «Prototypen»
1. System-Entladung mit Wasser
2.
System-Entladung mit Dampf
Luftzirkulation in einem
Klimaraum (90% RH / 20 C)
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Speicherdaten
•
Technisch erreicht wird bisher eine Permanentspeicherdichte von > 70 kWh/m3
Entladung mit flüssigem Wasser (gemessen im Wärmeflusskalorimeter)
•
Zusätzlich: sensibler Beitrag (Wärmekapazität) + 0.4 kWh/m3K
+ 25 kWh/m3
Der Speicher wird beim Laden bereits erhitzt, diese Wärme kann analog
einem Wasserspeicher durch Isolation während 1-2 Monaten gespeichert
werden.
=> Mehrfache Nachladung möglich: „Pufferspeicher“
=> Nachladung bei tiefen Temperaturen möglich
Materialoptimierungspotenzial
•
Reduktion der Porosität und optimierte Betonzusammensetzung
++
Sorptionsspeicher (Dampfzugabe)
•
Entladen mit Dampf: Zusätzlich wird die entsprechende Verdampfungsenthalpie frei
+++
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Speicherdaten
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Integration ins Gebäude
• Neuartiges Heiz- und Speicherelement
• Speicherung überschüssiger Kollektorwärme
• Saisonspeicher und Pufferspeicher
• Brauchwasser und/oder Heizung
• Ideale Kombination mit anderen
gebäudeintegrierten Energieträgern
wie Wärmepumpe (Steigerung COP,
Schliessung des Kältegaps)
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Integration in Gebäude
Ettringit-Speicher
Modular aufgebauter, nachrüstbarer Speicher
Prototyp im Bau
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9
Integration in Gebäude
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Integration in Gebäude
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Integration in Gebäude
Vor Ort gegossene Bodenplatte mit Wärmetauscher und zentralen Luftröhren
(für Enfeuchtung- und Wasserzugabe)
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Integration in Gebäude
Danke für ihre Aufmerksamkeit !
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