Innovative Speichertechnologien für
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Speicherkonzepte in der Gebäudetechnik Dr.-Ing. Peter Albring Endenergieverbrauch in Deutschland 2010 Gas; 25,4% Kraftstoffe; 28,4% Heizöl; 10,2% Kohle; 4,0% Strom; 20,7% Sonstige; 6,1% Fernwärme; 5,2% Endenergieverbrauch in Deutschland nach Energieträgern Stand 2009. Quelle: BMWi. Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 2 Speichern von Energie dient dem zeitlichen Ausgleich zwischen Energieverfügbarkeit und Energiebedarf der Versorgung von Lastspitzen der Entkopplung von Systemen der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Verminderung der CO2 Emissionen in der Gebäudetechnik: dem Einhalten behaglicher Luftzustände Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 3 Wärmespeicher In Feststoff fühlbare (sensibler) Wärme Thermische Speicher Gebäudemasse, Erdreich In Flüssigkeit geringer höher Verfügbarkeit Wasser, Thermoöl Schmelzen Erstarren Latente Wärme Verdampfen Kondensieren Absorption Sorptionswärme Adsorption Chemische Speicher Dr. Peter Albring Reaktionswärme Chemische Reaktionswärme Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 Speicherkapazität Speicher höher geringer 4 Kapazität von Wärmespeichern Wärmespeicher: Fühlbare Wärme: Latente Wärme: Sorptionswärme: Kältespeicher: Fühlbare Wärme: Latente Wärme: Sorptionswärme: Wasser 60 ... 95 °C, Natriumacetat*3H2O , Phasenwechsel bei 58 °C , Silicagel N Entgasungsbreite 0,1 + 10 % Bindungswärme, 40kWh/m³; 140kWh/m³; 90kWh/m³; Wasser 6 ... 12 °C, Natriumacetat*3H2O , -5-+15°C Phasenwechsel bei 0 °C, Silicagel N, Entgasungsbreite 0,1; 7 kWh/m³ 110kWh/m³ 80kWh/m³ Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 5 Typische Wärmequellen und Wärmesenken Wärmequellen BHKW Thermische Solaranlage: Dr. Peter Albring Wärmesenken 80...90°C 70...95 °C Warmwasserbereitung Gebäudeheizung Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 45...60°C 35...70°C 6 Speicherkapazität von Warmwasserspeichern spezifische Scpeicherkapazität [kWh/m³] 80 Maximale Speichertemperatur (Erzeugerseite) und minimale Nutztemperatur (Verbraucherseite) bestimmten die spezifische Kapazität 60 40 20 0 40°C 60°C 80°C 100°C Speichertemperatur Warmwasser Bereitung Kurzzeitspeicher Dr. Peter Albring Gebäudeheizung Langzeitspeicher Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 7 Verluste von Warmwasserspeichern • • • 60°C • 40°C Vertikale Wärmeleitung im Stillstand Mischung beim Be- und Entladen Wärmeverlust über die Behälterwand Konvektion beim Wärmeübergang bei indirekten Systemen 10°C Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 8 Reduzierung der Speicherverluste • • • Schichtenladeeinrichtung Flüssigkeit wird gerade in die Schicht transportiert, in der der Auftrieb verschwindet (gleiche Temperatur) Verbesserung Isolierung Optimierung Speichergröße / Wärmebedarf Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 9 Einfluss der Speichergröße und der Speicherqualität auf den solaren Deckungsgrad (Heizen) 5 2 3 4 1 40m²; 1000l 1. 2. 3. 4. 5. Auslegungsfall Doppelte Solarfläche Doppelte Speichergröße PU 20fache Speichergröße PU 20fache Speichergröße VSI Quelle ZAE Bayern Anteilige Energieeinsparung (solarer Deckungsgrad) für ein EFH (150 m², 4 Personen, 50 kWh/m²a Heizwärmebedarf) gegen Kollektorfeldgröße (Flachkollektoren, Kollektorneigung 45°, Süd) bei unterschiedlichen Speichervolumina und Speicherdämmungen. Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 10 Material für Latentspeicher • • Bereich Gebäudeheizung / Kühlung • • • • • • Dr. Peter Albring Vielzahl von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften gewünscht: geringe Temperaturdifferenz zwischen Schmelzen und Erstarren gewünscht: Verfügbarkeit in relevanten Temperaturbereichen gewünscht: hohe Speicherenthalpie Probleme Schlechte Wärmeleitfähigkeit in der festen Fase = hohe Temperatur zum Aufschmelzen ( Exergieverlust) PCM muss gekapselt werden (zusätzlicher Wärmewiderstand) Alterung, Degradation Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 11 Anwendung von PCM im Gebäudebereich Baustoffe Verbundstoffe, Wärmeübertrager Quelle: FhG, IFAM ILK Dresden, m-pore, webasto AG Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 12 Nutzung natürlicher Kühlpotenziale „Passive Klimatisierung“ durch bauintegrierte Lösungen auf der Basis von mikrogekapselten PCM (Micronal ®, 21°C, 23°C, 26°C) Lehmbauplatten mit Latentwärmespeicher (Fa. Lebast Lehmbaustoffe), Gips-Maschinenputz weber.mur clima 26 (Fa. Saint-Gobain Weber), RACUS® Innenausbaukomponenten: Rasterdeckeneinleger, Wandplatten und Wandplatten mit Innenisolierung (Fa. Datum Phase Change Limited). www.sg-weber.de PCM als Ersatz für fehlende speicherfähige Masse im Gebäude Quelle ZAE Bayern Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 www.micronal.de 13 Kältespeicher Es gibt über 100 Mio. Kälteanlagen in Deutschland Auf Kältetechnik entfielen etwa 15 % des gesamten deutschen Stromverbrauchs. Quelle: „Energiebedarf für Kältetechnik in Deutschland“, Studie des Forschungsrates Kältetechnik im Rahmen des VDMA, 2011 Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 14 Kältespeicher Wegen der geringen Speicherkapazität von Kaltwasserspeichern werden für die Kältespeicherung hauptsächlich Latentwärmespeicher eingesetzt Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts beruhte die Kältetechnik auf „natürlicher Kälte“ und saisonaler Speicherung. Brauereien, Lebensmittellager, Schlachtbetriebe,... Potsdam, Eisspeicher im Neuen Garten Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 15 Latentwärmespeicher zur Nutzung natürlicher Kälte Klimatisierung mit Nachtkälte durch PCMLüftungsgeräte Auslegung: mPCM ≈ 5 kg/m² @ 60 W/m² ∆H ≈ 170 kJ/kg www.bine.info, Themeninfo I/2009 www.emco.de, emcovent PCM-Modul Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 16 Speicher für Komforterhöhung Kältespeicher für die Klimatisierung von LKW-Fahrerkabinen (Fa. Webasto) www.webastoshowroom.com Optimierungsarbeiten am WÜ gemeinsam mit ILK Dresden und Fa. m-pore. Quelle: J. Waschull, ILK Dresden Speicherkapazität ca. 5 kWh Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 17 Eisspeicher zur Spitzenlastabdeckung und Kapazitätsanpassung Eisspeicher mit freiem Eis (Beispiel Fa. Vritherm-Systemtechnik) Einsatz in der Lebensmittelindustrie, Auslegung für hohe Entladeleistungen bei geringen Ladeleistungen (el. Anschlussleistungen), Speicherkapazitäten von 15 kWh bis 2200 kWh. Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 18 Eisentstehung an gekühlten Flächen Typische Verdampfungstemperaturen bei der Eisherstellung an gekühlten Oberflächen liegen zwischen -10°C und -35°C Eisschicht Rohrwand tSpeicher Kältemittel 1,00 ki / kmax 0,80 Wasser tKältemittel Dicke ki / kmax 0,60 da = 5 mm 0,40 tKältemittel Spez. Wärmedurchgangszahl 0,20 Dr. Peter Albring Kältemittel WÜ_Wand Eisschicht Eisschicht Flüssigkeit 0,00 0 2 4 6 8 10 Eis Schichtdicke [mm] Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 19 COP von Kaltwasser und -Eiserzeugung Dr. Peter Albring Vakuumeis ist die energetisch beste Methode Eis zu erzeugen. Eis entsteht bei der direkten Verdampfung von Wasser bei Temperaturen nur geringfügig unter dem Gefrierpunkt. Wasser ist gleichzeitig Speichermedium (PCM) und Kältemittel !!! Guter Wärmeübergang Hohe Entladeleistung COP Kälteleistung Antriebsleistung tC 37 C ; Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 Carnot Carnot TKältemittel TC TKältemittel 0.55 20 Anlage zur Vakuumeiserzeugung mit Wasser als Kältemittel Wasserdampf Kondensator • • Eisspeicherbehälter Wärmeübertrager zur Speicherentladung Dampfaustritt • Turboverdichter Verdampfer • Turboverdichter 5...10m³/s Direktverdampfer Herausforderungen: Eisentstehungs- und Transportprozess Erhaltung der Fließfähigkeit von Eis- Wasser- Mischungen im Speicher Verdichter Saugstutzen Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 21 Speicherbehälter ILK Dresden Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 22 Versuchs- und Prototypanlagen Vakuumeiserzeuger und Eisspeicher Anlagenparameter: Verdampfungstemperatur: Verdampfungsdruck: Verdampfer Leistung: max. Speicherkapazität: bei Eiskonzentration: Speichervolumen: -2…0 C 600 Pa ca. 50 kW 350 kWh 50 % 6.6 m³ ILK Dresden Campus WSH Zwickau Dr. Peter Albring Campus WSH Zwickau Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 23 Vergleich von Speichergröße – Wasserspeicher und Vakuumeisspeicher Kaltwasserspeicher 1.000 kWh 30 Speicherhöhe [m] 25 Eisantei= 0% Eisantei= 0% 20 Eisantei= 10% Eisantei= 20% Eisantei= 30% 15 Eisantei= 40% Eisantei= 50% 10 Behälterdurchmesser = 3,5 m Entladetemperatur = 6°C 5 Eisantei= 50% Vakuumeisspeicher 1.000 kWh 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Speicherkapazität [kWh] Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 24 Vorteile von Vakuumeisspeichern für Gebäudekühlung Installierte Kälteleistung kann kleiner sein, als die Spitzenlast (Reduzierung von Investition für Kälteanlage und elektrische Anschlussleistung) Teillastanteil der Kälteanlage sinkt Kälteerzeugung kann in Stunden mit geringer Außentemperatur verlegt werden Teilentladung und Teilbeladung des Speichers ist möglich (konventionelle Eisspeicher müssen immer vollständig entladen werden) Hohe Entladeleistung Kann in Bestandsanlagen integriert werden Kann mit Überschussenergie beladen werden Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 25 Kältespeicherung bei Temperaturen über 0°C Flüssige, formastabile PCM mit Schmelztemperaturen von ca. +5°C Neue Anlagenkonzepte: Kombination von Kältemaschine mit Wasser als Kältemittel mit PCM Fluiden, gute Wärmeübertragung Ziel Kältespeicher mit Verdampfungstemperatur +5°C. Das bedeutet höhere Energieeffektivität: COP +20% gegenüber Vakuumeiserzeugung und +50% gegenüber konventionellen Eiserzeugern Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 Quelle: FhG ISE 26 Zusammenfassung Wärme- und Kältespeicher sind Bestandteil von Systemen und müssen in Zusammenhang mit dem System entwickelt und geplant werden. Für die Vergrößerung des Anteils regenerativer Energie sind Speicher ein notwendiges, wichtiges Instrument Speicher sind auch geeignet Stromspitzen in einem intelligenten Netzverbund zu glätten, z.B. Wärmepumpen zur Ladung von Großspeichern mit Überschussstrom Es besteht immer noch eine große Diskrepanz zwischen Kosten für Speicher und Ertrag für eingesparte Energie. Es besteht F&E Bedarf für Material- und Systementwicklungen Eine stärkere Dezentralisierung der Energieversorgung fordert neuartige, intelligente und wirtschaftliche Speicherkonzepte Dr. Peter Albring Sächsisches Fachsymposium Energie 2012 27
