Übersicht über die Vorlesung Solarenergie - KIT
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Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 14.1 1. Einleitung 11. Solarkollektoren 2. Die Sonne als Energiequelle 12. Energiespeicher 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 12.1 Hoch- und Mitteltemperaturspeicher 4. Kristalline pn-Solarzellen 12.2 Niedertemperaturspeicher 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 13.1 Einleitung 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 13.2 Wärmeverluste 8. Third Generation Photovoltaics 13.3 Solararchitektur 9. PV-Systemtechnik 10. Solarthermische Kraftwerke 13. Passive Solarenergienutzung 14. Energieszenarien Energiespeicher für Solaranlagen 14.2 •Ein Großteil der Sonnenenergie fällt zu Tagesund Jahreszeiten an, in denen sie nicht genutzt werden kann. Dementsprechend werden zum Ausgleich Kurz- und Langzeitspeicher benötigt. •Man verwendet Hoch- und Mitteltemperaturspeicher für solarthermische Kraftwerke, Niedertemperaturwärmespeicher für Gebäude und elektrische Speicher für Photovoltaikanlagen. •Für die Speicherauswahl sind Energieform, Energie- und Leistungsdichte, Zykluswirkungsgrad und –dauer, Selbstentladungsrate, Systemlebensdauer, Zuverlässigkeit und Kosten wesentliche Größen. •Die primären Energiespeicher wie Wasserstoff, und die fossilen Kohlenwasserstoffe besitzen die bei weitem höchsten Energiedichten. 14.3 Auswirkung eines Speichers auf ein thermisches Solarkraftwerk Darstellung der zeitlichen Leistungsabgabe für zwei unterschiedliche große Solarfelder SV>1,0 SV>1,0 EBel EEntl SV=1,0 SV=1,0 SV=Pth,Solarfeld,Auslegungszeitpunkt/Pth,Nenn,Kraftwerksblock | EEntl=EBel * ηBel,Speichern,Entl Steigerung der jährlichen solaren Nennleistungsstunden bei entspr. größerem SV (Auslegungsverhältnis) Zeitliches Shiften der solaren Stromproduktion vom Tag in den Abend, „Überbrücken“ von durchziehenden Wolkenfelder. Vergleichmäßigung des Kraftwerkbetriebes bei rein solarer Betriebsweise Vorwärmen des Kraftwerks beim morgendlichen Anfahren Frostschutz des Primärkreislaufs bei kalten Nächten (synthet. Wärmeträgeröl erstarrt unterhalb +12°C) 14.4 Speicherarten für den Hoch- und Mitteltemperaturbereich Thermische Energiespeicher für den Hoch & Mitteltemperaturbereich: 1. Speicher fühlbarer Wärme - Direkte Speicher - flüssiges Speichermedium übernimmt direkt die Solarenergie - Indirekte Speicher - festes Medium speichert, Wärmetauscher führt Wärme ab 2. Dampfspeicher 3. Speicher latenter Wärme 4. Thermochemische Energiespeicher Solarkraftwerk SEGS 1 in Barstow, Cal. Pel, max : 14 MWel WärmeTrägerFluid: Mineralölbasis ϑWTF, min / max. : 240 / 307°C Direkte Speicherung des WTF in einem 2-Tank Speicher Speicherkapaz.: 115 MWhth Direkte Hoch- und Mitteltemperaturspeicher 14.5 2-Tank fl. Salzspeicher „Solar Two“, Barstow, Cal. Wärmeträgerfluid: NaNO3 (60%)/KNO3 (40%) Kristallisationspunkt: 221 °C Betriebstemperatur: 290 °C – 565 °C Tankvolumen: je 875 m3 Kapazität: 115 MWhth / 3h Nennlast Q = m ⋅ c p ⋅ ∆ϑmin/ max ∆ϑ(t) = ( ∆ϑ)0 e − 6k ⋅t ρ⋅cp ⋅d Speicherkapazität mit Masse m und spezif. Wärme cp Zeitliche Temperaturabnahme eines kubischen Speichers der Kantenlänge d, Massendichte ρ und mit k-Wert der Wärmeisolation Daten flüssiger Speichermedien 14.6 Für eine große Speicherkapazität – und dauer sollten die auf das Volumen bezogene spezif. Wärmekapazität und das Speichervolumen möglichst groß sein; der Wärmeinhalt skaliert mit dem Volumen, die Verluste mit der Oberfläche. Die Wärmedämmung verlängert stark die nutzbare Dauer der Wärmespeicherung. Feste Speichermedien für indirekte Speicher 14.7 14.8 Latentwärmespeicher Die Energien, die Speichermaterialien bei einer Phasenänderung von fest nach flüssig unter relativ kleiner Volumen- und Druckänderung oder von flüssig nach dampfförmig aufnehmen und beim Erstarren bzw. Kondensieren abgeben sind wesentlich größer als die reinen Wärmekapazitäten. ϑ ϑm fest Speicherkapazität Q = m * fNutzung * (cps,m*∆ϑ ∆ϑmin/melt + ∆hmelt + cps,m*∆ϑ ∆ϑmelt/max) flüssig u 14.9 speicherbare Energie in kJ/kg (ab 150°C) -> Vergleich verschiedener Speicherarten 1400 Wasser (flüssig) 1200 Santotherm VP-1 (flüssig) 1000 Beton (fest) Hitec (flüssig) NaNO3 (PWM) 800 KNO3 (PWM) 100 bar Phasenwechsel MgCl-KCl-NaCl (PWM) 600 + + 398 °C 12 bar 400 200 374 °C 221 bar 2,5 bar + 10 bar 0 150 + : therm. Stabilitätsgrenzen 200 250 300 350 400 450 Temperatur in °C -> Der Phasenwechsel flüssig-gasförmig wird im technischen Maßstab in Heißdampfspeichern genutzt. Der relativen großen gewichtsspezifischen Speicherkapazität von Wasser steht der Aufwand für große Speichervolumen und hohe Drücke entgegen. Thermochemische Speicher 14.10 Prinzip: Zwei Materialien reagieren chemisch miteinander und geben dabei Reaktionswärme ab oder nehmen sie auf. Vorteil gegenüber anderen Speicherarten: Wärme wird erst bei der Reaktion abgegeben, die Wärmespeicherung ist verlustfrei. Keine Isolation wird benötigt! 1) Katalytische Reaktionen Grundformel Beispiel Beladen Katalysator → C + D A + B + ∆ H ← R * Katalysator Entladen Kat. → 2CO + 2 H CH 4 + CO2 + ∆H R ← 2 Kat. mit ∆HR = 250 kJ/mol CH4 Thermische Dissoziation und Adsorptionsvorgänge 2) Thermische Dissoziation Grundformel AB( s / l ) ln p Flüssigkeit 1 T 1, p1 → A + ∆ H ← ( s / l ) + B( g ) T 2, p 2 R * Entladen 2.1 2.2 U A Beladen AB2 AB1 Beispiel → Ca (OH ) 2 ( s ) + ∆H R ← CaO ( s ) + H 2 O( g ) Gas B 1/T T Dissoziation eines Gases B aus einer flüssigen mit ∆HR = 105 kJ/molCa(OH)2 Lösung AB im ln(p) – 1/T van‘t Hoff Diagramm 3) Adsorptionsvorgänge Bei den Sorptionsspeichern werden Gase oder Dämpfe, z.B. Wasserdampf in Materialien mit großen Oberflächen, z.B. Zeolith - Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y] ·z H2O , unter Wärmeabgabe eingebunden. Bei Wärmezufuhr wird der adsorbierte Stoff wieder freigesetzt. Energiedichte von Zeolith/Wasser = 175 Wh/l 14.11 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 14.12 1. Einleitung 11. Solarkollektoren 2. Die Sonne als Energiequelle 12. Energiespeicher 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 12.1 Hoch- und Mitteltemperaturspeicher 4. Kristalline pn-Solarzellen 12.2 Niedertemperaturspeicher 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 13.1 Einleitung 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 13.2 Wärmeverluste 8. Third Generation Photovoltaics 13.3 Solararchitektur 9. PV-Systemtechnik 10. Solarthermische Kraftwerke 13. Passive Solarenergienutzung 14. Energieszenarien 14.13 Niedertemperaturwärmespeicher - Brauchwasserspeicher Brauchwasserspeicher für solare Brauchwassererwärmung Niedertemperaturwärmespeicher - Pufferspeicher 14.14 Pufferspeicher für solare Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung Niedertemperaturwärmespeicher - Saisonalspeicher 14.15 Heißwasser-Wsp. Kies/Wasser-Wsp. Erdsonden-Wsp. Aquifer-Wsp. 1,5 bis 2,5 m³/m²FK 2,5 bis 4 m³/m²FK 8 bis 10 m³/m²FK 4 bis 6 m³/m²FK Grober Richtwert des Speichervolumens je m² Kollektorfläche für einen solaren Deckungsanteil von 50 % (FK: Flachkollektor) wasserführende Gesteinschicht Kies-Wasserspeicher bei Steinfurt: Volumen 1500 m3, Kollektorfläche 510 m2, δmax=90 °C Niedertemperaturwärmespeicher - Latentwärmespeicher 14.16 Na (CH3COO) x 3 H2O: Dieses Trihydrat bildet große, farblose Kristalle und ist gut wasserlöslich und schmilzt ab 58°C, kristallisiert beim Abkühlen jedoch nicht sofort wieder aus, das heißt, es bildet sich eine unterkühlte Schmelze. Diese gibt beim Kristallisieren Latentwärme ab. 14.17 Quelle: F. Staiß, ZSW Saisonale Wärmespeicher 14.18 Saisonale Wärmespeicher: Projekt Friedrichshafen 14.19 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 14.20 1. Einleitung 11. Solarkollektoren 2. Die Sonne als Energiequelle 12. Energiespeicher 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 12.1 Hoch- und Mitteltemperaturspeicher 4. Kristalline pn-Solarzellen 12.2 Niedertemperaturspeicher 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 13.1 Einleitung 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 13.2 Wärmeverluste 8. Third Generation Photovoltaics 13.3 Solararchitektur 9. PV-Systemtechnik 10. Solarthermische Kraftwerke 13. Passive Solarenergienutzung 14. Energieszenarien Energetische/Thermische Anforderungen an ein Gebäude Nutzer soll sich wohl fühlen: im Winter angenehm warm im Sommer angenehm kühl Möglichst geringer Energieverbrauch (Primärenergie) Winter Sommer 14.21 Außentemperaturen 14.22 Energieflüsse innerhalb eines Gebäudes 40% des Primärenergieverbrauchs entfallen in Deutschland auf die Raumheizung. Heizbedarf eines EFH: 5 – 30 MWh/a Einsparpotential: > 50 % durch Wärmedämmung und passive Nutzung der Sonnenenergie 14.23 14.24 14.25 14.26 Prinzip der passiven Sonnenenergienutzung 14.27 •Absorption der kurzwelligen Solarstrahlung entweder im Gebäudeinneren nach Durchgang durch eine transparente Außenfläche oder an den Außenteilen von Gebäuden •Erwärmung von Bauteilen, die als Speicher dienen, und Abgabe der Energie über Konvektion oder langwellige Strahlung an die Umgebung Ein passives Solarsystem wandelt die Sonnenstrahlung in Wärme direkt durch die Gebäudestruktur, d.h. durch transparente Hüll- und massive Speicherbauteile ohne Anlagentechnik wie Pumpen, Ventilatoren, Speichertanks, etc. Ausrichtung, Verschattung und Absorptionsgrad der Absorberfläche bestimmen die aufgenommene Sonnenenergie Wärmeleitfähigkeit, Dichte, spezif. Wärmekapazität des Absorbers bzw. des Speichers und die Temperaturdifferenz zur Umgebung beeinflussen Größe und Zeit der Energieabgabe 14.28 Variation der globalen Einstrahlung auf ein Einfamilienhaus Gobalbestrahlungsstärke Westfassade im Februar Außenlufttemperatur vor der Fassade Mittlerer solarer Energieeintrag pro Tag auf ein Gebäude als Funktion der Jahreszeit Momentane Bestrahlungsstärken auf eine Westfassade innerhalb einer Woche im Februar Im zeitlichen Mittel deckt die solare Einstrahlung auf das ganze Haus (inklusive Dach) den Heizbedarf, wenn sie denn komplett in Raumwärme umgesetzt wird, nicht aber den momentanen Bedarf im Winter, falls nicht eine Energiespeicherung von mehr als einer Woche möglich ist. Massive Gebäudeteile gewährleisten nur 2 – 3 Tage Speicherzeit. Solararchitektur und Komponenten 14.29 Passive Solarenergienutzung Solararchitektur Komponenten •Standortwahl des Gebäudes •Fenster, insbes. nach Süden •Orientierung des Gebäudes Öffnung nach Süden, Abgeschlossenheit nach Norden •Glasvorbauten (Gewächshäuser) •Kompakte Gebäudeform •Dachüberstand zum Sonnenschutz •Bepflanzung •Anordnung der Räume •Auswahl und Einbindung der Komponenten •Trombewand •Transparente Wärmedämmung •Thermische Speicherelemente •Angepasste Heizsysteme •Regeleinrichtungen •Jalousien Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 14.30 1. Einleitung 11. Solarkollektoren 2. Die Sonne als Energiequelle 12. Energiespeicher 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 12.1 Hoch- und Mitteltemperaturspeicher 4. Kristalline pn-Solarzellen 12.2 Niedertemperaturspeicher 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 13.1 Einleitung 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 13.2 Wärmeverluste 8. Third Generation Photovoltaics 13.3 Solararchitektur 9. PV-Systemtechnik 10. Solarthermische Kraftwerke 13. Passive Solarenergienutzung 14. Energieszenarien Transportkennzahlen 14.31 τe Strahlungstransmissionsgrad – Anteil der auftreffenden Globalstrahlung, der durch das Bauteil (Verglasung etc.) hindurch als (kurzwellige) Strahlung in den Innenraum gelangt qi sekundäre Wärmeabgabe – Anteil der vom Bauteil absorbierten Globalstrahlung, der aufgrund der Erwärmung des Bauteils als langwellige Strahlung und durch Konvektion ins Innere abgegeben wird g Energiedurchlassgrad – Anteil der auftreffenden Globalstrahlung, der als Strahlung und Wärme in den Innenraum eindringt. Für transparente Bauteile gilt: g = τ e + qi k Wärmedurchgangskoeffizient, neue Bezeichnung: U – Wärmeleistung, die pro Flächeneinheit durch eine Wand hindurchtritt bei einer Temperaturdifferenz zwischen Vorder- und Rückseite von 1 K; Dimension: W m-2 K-1 keq äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient – Differenz zwischen dem spezif. Wärmeverlust eines Bauteils und dessen spezif. Energiegewinn durch solare Einstrahlung. Für ein Fenster kann angesetzt werden: keq = kF - SF⋅g Wärmeverluste einer Verglasung 14.32 Fassade: U > 0,2 W/(m2K) Fenster: U > 1,3 W/(m2K) Doppel-Verglasung U > 0,8 W/(m2K) Dreifach-Verglasung (hohes Gewicht) k(U)-Wert Minimierung durch low-εε Scheibenbeschichtungen 14.33 Floatglas hat einen Emissionsgrad ε = 0,84. Ist die Rauminnentemperatur größer als die Außentemperatur strahlt die Innenscheibe langwellige Wärmestrahlung nach außen ab. fast keine Abstrahlung Abstrahlung Beschichtung Wird die dem SZR zugewandte Seite der Innenscheibe mit einer low-ε Beschichtung versehen, reduziert dies erheblich die Wärmestrahlungsverluste. Optische Kennzahlen der low- ε Schicht auf der Basis von Ag τ=1-α-ρ α ρ VIS +NIR <0,9 <0,1 <0,1 MIR+FIR <0,1 <0,1 >0,9 Damit gelangt auch weniger längerwelligere Strahlung von außen nach innen und auch von innen nach außen. Vakuum-Isolierglasprinzip Konventionelle 2-Verglasung Vakuum-Isolierglas 14.34 Vakuum-Isolierglas •gute Wärmedämmung U > 0,4 W/(m2K) •geringes Gewicht (nur 2 Scheiben) •schlanker Aufbau » 10mm •Prototyp bis Ende 2006 •Produktionstechnik bis 2009 •Kosten vergleichbar 3-Verglasung 14.35 Übersicht über die Vorlesung Solarenergie 14.36 1. Einleitung 11. Solarkollektoren 2. Die Sonne als Energiequelle 12. Energiespeicher 3. Halbleiterphysikalische Grundlagen 12.1 Hoch- und Mitteltemperaturspeicher 4. Kristalline pn-Solarzellen 12.2 Niedertemperaturspeicher 5. Elektrische Eigenschaften 6. Optimierung von Si-Solarzellen 13.1 Einleitung 7. Anorganische Dünnschichtsolarzellen 13.2 Wärmeverluste 8. Third Generation Photovoltaics 13.3 Solararchitektur 9. PV-Systemtechnik 10. Solarthermische Kraftwerke 13. Passive Solarenergienutzung 14. Energieszenarien Transparente Wärmedämmung opake Wärmedämmung 14.37 transparente Wärmedämmung Die opake Wärmedämmung lässt relativ wenig Wärme nach innen strömen; der größte Teil der absorbierten Solarenergie wird wieder nach außen vor allem als Wärmestrahlung abgegeben. Die transparente Wärmedämmschicht vor der Speicherwand mit Absorberschicht reduziert stark die Wärmeleitungsverluste nach außen. Die Speicherwand sollte ein hohes Speichervermögen und eine große Wärmeleitzahl besitzen, um die Wärme gut zu übernehmen und abzuleiten. Der U-Wert der TWD-Wand ist meist höher ausgelegt als der einer nur gedämmten opaken Wand. Feststehende Verschattungseinrichtungen 14.38 Zur Vermeidung der solaren Überhitzung von Räumen im Sommer, insbesondere wenn sie nach Süden ausgerichtet sind, kann eine Verschattung erreicht werden durch den Horizont, durch Gebäudeüberhänge und durch seitliche Überstände. Im Sommer sind hohe Verschattungen, im Winter große Einstrahlungen gewünscht. Verstellbare Verschattungseinrichtungen 14.39 Zur Anpassung an den Wärmebedarf und zur Abschattung bei solarem Überangebot werden verstellbare Jalousien und Rollläden vor und hinter Fenstern und zwischen TWD und Absorber installiert; sie werden teilweise per Regelung verstellt. Außenliegende Verschattungen sind meist effizienter, weil sie die absorbierte Strahlungswärme wieder an die Umgebungsluft abgeben; innenliegende Systeme sind konstruktiv einfacher zu gestalten und nicht der Witterung ausgesetzt. Mittels dynamischer Gebäudesimulation berechnete Raumtemperatur ohne und mit innerer bzw. äußerer Jalousie in einer Sommerwoche mit Außentemperaturen TA = 12 °C - 27 °C. Aktive Kühlung oberhalb 26 °C Raumtemperatur Alternativen: Thermotrope Verglasungen - τ fällt mit wachsender Temperatur Elektrochrome Verglasungen (LCD) – U-gesteuert Holografische Folien - τ sinkt mit zunehmendem Einfallwinkel Direktgewinnsysteme 14.40 Einkopplung von „kurzwelliger Solarstrahlung durch Verglasungen; die oberflächlich absorbierte Strahlung wird als langwellige Wärmestrahlung „sofort“ abgestrahlt. Zwischen Einstrahlung und Innentemperatur besteht eine nur geringe Phasenverschiebung; dies ist akzeptabel in Büros. Die solare Energieeinkopplung ist über eine Verschattung zu regeln. Indirekte Gewinnsysteme – Solarwand (Trombewand) 14.41 Solare Strahlung wird hinter einer Verglasung auf der raumabgewandten Seite eines Speicherbauteils, der Solarwand, in Wärme gewandelt und durch Wärmeleitung zur Raumseite transportiert. Vorteilhaft ist die phasenverschobene Raumerwärmung und die geringen Raumtemperaturänderungen; sie ergänzt die direkte Energiegewinnung.
