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ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht
BERLIN
Energiegewinnung aus
Kompost
Henning Herz
Norman Wenzel
Schule:
METEUM Berlin
(ein Projekt des TJP e.V.)
Jugend forscht 2010
Energiegewinnung aus Kompostmasse
von Henning Herz und Norman Wenzel
METEUM
Inhalt
1. Einleitung
2. Experimentelle Durchführung
2.1 Eigene Zeichnung
2.2 Arbeitstisch
2.3 Komposter
2.4 Wärmepumpe
3. Zusammenfassung
4. Danksagung
5. Quellen und Literaturverzeichnis
Die Idee
Die Grundidee ist, die Wärme aus einem Kompost nutzbar zu machen,
wodurch z.B. eine Lagerhalle oder sogar ein Gewächshaus beheizt werden
können. Damit könnten auch größere Unternehmen mit einer
Kompostieranlage ihre Heizkosten senken.
Kurze Zusammenfassung
Bei dem Projekt handelt es sich um eine Alternative für eine herkömmliche
Ölheizung, welche einen doppelten Nutzen hat.
Der doppelte Nutzen für uns und die Umwelt ist, dass bei dem System zum
einen die Heizkosten gesenkt werden und zum anderen, dass
nährstoffreicher Humus für den Ackerbau entsteht. Das Herzstück unserer
Anlage ist eine Wärmepumpe.
Die Wärmepumpe besteht aus zwei Teilen, dem Verdampfer (Kompost) und
dem Wärmetauscher (das jeweilige Ausgabegerät wie z.B. ein
Wasserbecken). Indem wir dem Kompost, welcher bei einer
Betriebstemperatur von 55°C - 70°C arbeitet, etwas Wärme mittels einer
Wärmepumpe entziehen und diese in einem anderen Bereich wieder
abgeben, sparen wir Energie. Da es aufwendiger wäre "neue" Wärme zu
erzeugen, statt umzuleiten, ist die Wärmepumpe eine Alternative, seine
Heizkosten zu senken und gleichzeitig etwas für die Umwelt zu tun.
1. Einleitung
Das Projekt besteht aus zwei Teilen: dem Kompost und der Wärmepumpe.
Im Kompost sind drei Verdampfer untergebracht, durch welche das kalte
Kältemittel fließ. Das kalte Kältemittel wird aufgeheizt und verdampft. Von
dort aus kommt das erwärmte Kältemittel in den Verdichter, in dem es
komprimiert (zusammengepresst) wird und sich erneut die Temperatur von
dem Kältemittel erhöht (durch den hohen Druck). Das erhitze Kältemittel
wird nun durch den Wärmetauscher geleitet, in dem es die Temperatur
wieder abgibt, z.B. an Wasser oder an die Luft. Dort kühlt es wieder ab und
kondensiert. Jetzt wird das abgekühlte Kältemittel durch ein
Expansionsventil geleitet, in dem sich der Druck starkt verringert und somit
die Temperatur sinkt.
Danach strömt das Kältemittel wieder in die drei Verdampfer im Kompost
und der Vorgang wiederholt sich.
Ein stark vereinfachter Aufbau unserer Wärmepumpe:
2. Experimentelle Durchführung
In der Umsetzung sieht unsere Wärmepumpe jedoch etwas komplexer aus.
Der Grund dafür ist, dass die Anlage zur Demonstration der Funktion einer
Wärmepumpe dient. Die Funktion der Kompostwärmenutzung ist eine
zusätzliche Aufgabe für unsere Jugend forscht Arbeit.
2.1 Eigene Zeichnung
2.2 Arbeitstisch
Als Arbeitstisch haben wir uns einen alten Projektortisch mit den Maßen
100cm x 60cm x 150cm aufgearbeitet. Anfangs haben wir alles
abmontiert und das Gestell abgeschliffen. Anschließend haben wir alles blau
gestrichen und als alles wieder trocken war, konnten wir unsere zwei neuen
Küchenplatten montieren, welche wir zuvor noch mit Öl behandelt haben.
2.3 Komposter
Der Komposter besteht an sich aus einem handelsüblichen Holzkomposter
mit den Maßen 100 cm x 100 cm x 60 cm, welchen wir jedoch noch mit 40
mm Styroporplatten gedämmt haben, damit die Wärme nicht an die
Umgebung abgegeben wird. Im Komposter sind die drei Wärmetauscher zu
einem System zusammen gefasst und am Komposter montiert.
Die drei Wärmetauscher
Der Komposter mit Dämmung
Wir haben die drei Wärmetauscher so angeordnet, weil sie so die größte
Energieausbeute liefern können und die Mindesttemperatur von 55C° des Kompost
dennoch erhalten bleibt, zudem kann die Kompostmasse durch die
Wärmetauscher nachrutschen, sobald unten die bereits kompostierte Masse
abgenommen wird.
Aufgrund der wetterbedingten Situation war es uns leider nicht möglich den
Komposter im Winter zu erhalten, da dieser sofort durchgefroren ist. Wir
mussten leider auch feststellen, dass unser Komposter viel zu wenig Wärme
entwickelte als vorgesehen war, was auf die größe des Komposter zurück zu
führen ist. Bei unseren Langzeitmessungen wurde eine Höchsttemperatur
von 35,7 °C gemessen. Wir merkten auch sehr schnell, dass die Temperatur
im Inneren des Komposters sehr durch die äußeren Einflüsse wie z.B. Regen
oder starker Sonneneinstrahlung beeinflusst wird.
Um in den effektiven Temperaturbereich zu kommen wird ein größerer
Kompost mit mehr Kompostmasse benötigt wie z.B. Gärtnereien ihn
besitzen.
Ergebnisse der Temperaturmessungen von 38 Tagen
Tag
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
Komposttemperaturen in 30 cm Tiefe
19,9
22,8
18
16,8
17,3
18,2
21
28,2
26,6
24,7
24
22,5
21,5
20,5
19,2
26,8
26,4
22,7
23,9
27
27,2
25,4
23,8
28,3
27,6
30,5
29,1
27,7
25,9
26,4
28,3
27,7
25,9
24,8
18,8
26,1
25,9
25,7
Außentemperatur
24,9
26
19,6
17
12,8
13,6
20,3
14,7
18,4
15
16,3
12,4
11,3
13,2
29,4
30,8
27,4
23,5
32
31,4
28,9
19,8
20
26
26
18,4
23,8
17,6
30,1
30,9
33
19,9
27
29,5
14,8
27,5
29,5
31,9
Grafische Darstellung des Temperaturverlaufes in Verbindung mit der
Außentemperatur
35
30
25
20
Komposttemperaturen
in 30 cm Tiefe
Außentemperatur
15
10
5
0
0
5
10
15
20
Alle Temperaturangaben sind in °C .
25
30
35
40
2.4 Wärmepumpe
Anfangs platzierten wir die benötigten Teile auf dem Tisch, um die
benötigten Maße für die Kupferrohre zu messen und aufzuzeichnen. Sobald
wir die Maße hatten, ging es darum, die Kupferrohre zurecht zu schneiden
und sie zu biegen. Als wir die nötigen Kupferrohre gebogen hatten,
begannen wir die drei Wärmetauscher für den Kompost zu biegen. Dabei
legten wir das Kupferrohr an eine Sauerstoffflasche an und bogen es
mehrmals herum bis es eine Spirale ergab. Danach ging es an das
Zusammenlöten der Kupferrohre und das Einlöten der Abstandhalter in die
Wärmetauscher, damit diese zusätzliche Stabilität haben. Sobald das
Material abgekühlt war, konnten wir die Isolierung befestigen und es bereits
das erste Mal montieren, um zu sehen, ob alles passt.
oben: Die gesamte Wärmepumpe
unten: der Verdichter, in welchen das Kältemittel komprimiert wird
Im Verdichter wird das Kältemittel
verdichtet, wodurch der Druck
erhöht wird und sich somit auch
die Temperatur erhöht.
Im Verflüssiger wird dem
gasförmigen Kältemittel
Wärme entzogen. Es
verflüssigt sich.
oben:Verflüssiger mit Sammler
unten: ein Magnetventil
Das Magnetventil steuert Teile
des Systems.
Im Durchfluss-Schauglas
kann man den
Aggregatzustand des
Kältemittels sehen.
oben: ein Durchfluss-Schauglas
Das Barometer zeigt
den Druck in den
einzelnen
Systembereichen an.
oben: ein Barometer
Durch das Expansionsventil wird
der Druck des Kältemittels
reduziert und die Temperatur
verringert sich.
oben: ein Expansionsventil
3. Zusammenfassung
Mit dem Bau dieser Anlage wollen wir zeigen, wie aus der Umwelt Wärme
für die Beheizung von Räumen genutzt werden kann. Dazu benötigen wir
eine Wärmepumpe, die hier aufgebaut worden ist.
Als eine Wärmequelle aus der Umwelt sehen wir die Kompostanlage. Bei
derKompostierung von pflanzlichem Material wird durch die
Mikroorganismen Wärme erzeugt. Dieser Prozeß läuft bei 55-70°C ab, das
heißt einen Teil der Wärme kann dem Komposter entzogen werden, ohne
den Prozeß zu unterbrechen. Genutzt werden kann diese Wärme zur
Heizungsunterstützung z.B. in Gewächshäusern und Wohngebäuden.
Das Wirkprinzip der Wärmepumpe aber begründet die Möglichkeit einer
solchen technischen Anwendung unter der Voraussetzung, daß stets neues
zu kompostierendes Material zugeführt und die Komposterde regelmäßig
unter der Anlage entnommen wird. Das war auch der Grund für die
spiralförmige Gestaltung des Wärmetauschers im Komposter.
Nach dem Jufo-Wettbewerb dient diese Anlage im METEUM als
Demonstrationobjekt zur Erläuterung von Erdwärmeheizungsanlagen.
4. Danksagung
Wir möchten uns an dieser Stelle auch ganz herzlich bei Herrn Schmale und
Herrn Werner bedanken, welche uns erst ermöglichten, dieses Projekt zu
verwirklichen.
5. Quellen und Literaturverzeichnis
http://www.zentralheizung.de/heiztechnik/waermepumpen/prinzipwaermepumpen.php
http://www.erneuerbare-energien.de/inhalt/42912/
http://www.unendlich-viel-energie.de/de/erdwaerme.html