Aktuelle Anwendungsbeispiele zur Nutzung von Wärmespeichern

Aktuelle Anwendungsbeispiele zur Nutzung
von Wärmespeichern zur Klimatisierung
von Gebäuden
Materialien, Anwendungen, Systeme
Stefan Gschwander
Energie- und
Energiespeichertechnologien –
Forschung trifft Praxis
24.11.2014, Stuttgart
Fraunhofer Institute für Solare
Energiesysteme, ISE
www.ise.fraunhofer.de
© Fraunhofer ISE
AGENDA
 Prinzipien Wärmespeicherung / Materialien
 Beispiele Wärmespeicherung
 sensibel
 thermochemisch
 latent
 Anwendung Latentwärmespeicher
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sensible Wärme
Temperatur
Temperatur
Wärme
sensible Wärme
latente Wärme
gespeicherte Wärme
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gespeicherte Wärme
Wärme
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Quelle: LSI
Quelle: Cristopia
Energiedichte / Komplexität
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Quelle: AEE-Intec
Sensible Wärmespeicher, Integration großer
Speichervolumen
Quelle: Haase
Quelle: ITW
Quelle: ECN
Quelle: Jenni Energietechnik AG
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Thermochemische Speicher: Adsorptionsspeicher
Quelle: Vaillant
Quelle: ZAE
Quelle:.K. Henninger, et al., App. Therm. Eng. 30, (2010), pp. 1692 - 1702
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Latentwärmespeicher (Phasenwechselmaterialien, PCM)
nm – µm
Wärmeträgerflüssigkeit
mikroverkapseltes
oder
emulgiertes
Paraffin
PCM
Trägerflüssigkeit
getauchter
Wärmeübertrager
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Makrokapseln
Phase Change Slurries
(PCS)
Paraffine und Salzhydrate als PCM
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PCM Anwendungen: Gips-Putz mit PCM-Mikrokapsel,
 PCM im Putzmaterial, Kühlen mit
nächtlicher Außenluft (passives
System)
 Mikrokapselanteil etwa 20 – 30%
 Schmelztemperatur ca. 25 – 27°C
 Reduzierung der Raum-temperatur
bis zu 4 °C möglich
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PCM Anwendungen: Zuluft-Konditionierung mit PCMMakrokapsel-Speicher
 Speicher im Zuluft-System (Amtsgericht
Düsseldorf),
 Schmelztemperatur 22 - 25°C
 11t PCM (Platten), ~600kWh
15K), ~25kWh/m³
(∆T=
 Winterbetrieb
 Zwischenspeicherung nächtlicher
Abwärme aus Serverräume im PCM
 Vorheizung der kühlen Außenluft
durch PCM am Tag
 Sommerbetrieb
 Einspeicherung von Kälte aus Kühler
Zuluft in der Nacht
 Vorkühlung des Zuluft am Tag
 Nutzung des Speichers während der
Winter- und Sommerperiode
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Latentwärmespeicher in netzreaktiven Gebäuden
(LaNeGe), Dekra-Zentrale, Stuttgart Vaihingen
Stromnetz
 Eigenstromversorgung über BHKWs
(Stromgeführt)
3 BHKW 1,2 MWel
 keine Einspeisung ins Stromnetz
 BHKW Abwärme
AKM
500 kWth
KKM
300 kWel
1000 kWth
 Heizung (Heizperiode)
 Kühlen über Absorptionskältemaschine (Kühlperiode)
 Deckung des Kältebedarfs über KKM
und AKM
 Heizung durch BHKW, Gas- und ÖlKessel
Kessel
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 keine thermische Speicher im System
vorhanden
Latentwärmespeicher in netzreaktiven Gebäuden
(LaNeGe), Dekra-Zentrale, Stuttgart Vaihingen
 Interaktion mit dem Stromnetz
Stromnetz
 Regelenergie
3 BHKW 1,2 MWel
AKM
500 kWth
 Einspeisung
KKM
300 kWel
1000 kWth
 BHKW und KKW Betriebszeit  Kälte- /
Wärmebedarf
 Integration von thermischen Speicher
notwendig
 Flexibilität durch BHKW und KKM
Betriebszeit  Kältespeicher
 Temperaturspreizung 12 – 18 °C
 Wasser 7 kWh/m3
Kessel
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 71 m³  1 h AKM-Kälte
 Stellfläche nicht vorhanden PCM!
LaNeGe: Auswahl PCM
 Temperaturbereich Kälteversorgung
 12 – 18 °C
 ausgewähltes PCM: S15
 Schmelzbereich ca. 14 - 17°C
 Schmelzwärme ca. 135 kJ/kg
 Dichte ca. 1,5 kg/l
 Unterkühlung ca. 2 K
 nutzbare Wärmekapazität zwischen
12 und 18°C: 110 kJ/kg
 Energiedichte ca. 165 kJ/l
(12-18°C)
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Beispiel Kapsel
Maße: LxBxH
500x250x32 mm³ (4L)
ca. 6 kg PCM
LaNeGe: Integration PCM-Speicher
180
 PCM-Speichergröße 6 x 2 x 3 =36 m³
 Leistungsbegrenzung durch geringe
Temperaturdifferenzen
Enthalpie [J/g]
 6800 Kapseln  1200 kWh
 Wasser 36 m³ 12 – 18°C
 250kWh
 Möglichkeit Parallelbetrieb von
Kältemaschinen und Speicher
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120
S15 Heizkurve
S15 Kühlkurve
90
60
30
 Serielle Verschaltung von PCM und
Kaltwasserspeicher (Sprinklertank,
70 m³)
 Verringerung der Temperatur
wenn TPCM > 12°C
∆T
150
0
∆T
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Temperatur [°C]
AKM
KKM
Kühllast
DekraGebäude
Zusammenfassung
 Klassen thermischen Speicherung: Sensible, Latente und thermochemische
Wärmespeicherung
 Energiedichte nimmt von sensibler  latenter  thermochemischer
Wärmespeicherung zu (Temperaturniveau, Temperaturspreizung beachten!)
 thermochemische Wärmespeicherung bei T >> 60°C
 Bei der latenten und thermochemischen Wärmespeicherung sind
Wärmeübertrager notwendig (+Stoffübertragung bei thermochemischen
Wärmespeichern) (Komplexität, Kosten )
 isotherme Wärmespeicherung bei PCM  Interessant bei Anwendungen mit
kleinen Temperaturdifferenzen (Kühlung)
 Leistung von PCM-Speichern ist durch Wärmeübertrager (z.B. Kapsel) und
Material selbst begrenzt
 Bei der Kältespeicherung (Temperaturspreizung ca. 6 K) kann mit PCM eine 4 –
6fach höhere Speicherdichte von 4 – 6 als mit Wasser erreicht werden
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Danksagung
Wir bedanken uns beim Ministerium für Umwelt, Klima
und Energiewirtschaft für die Förderung des Projektes
„Latentwärmespeicher in Netzreaktiven Gebäuden,
LaNeGe“
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Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Stefan Gschwander
www.ise.fraunhofer.de
[email protected]
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