BERLIN. Energiegewinnung aus Kompost. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht. Henning Herz Norman Wenzel

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1 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

2 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.

3 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:

4 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.

5 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.

6 Ergebnisse der Temperaturmessungen von 38 Tagen Tag Komposttemperaturen in 30 cm Tiefe 19,9 22, ,8 17,3 18, ,2 26,6 24, ,5 21,5 20,5 19,2 26,8 26,4 22,7 23, ,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, , ,8 13,6 20,3 14,7 18, ,3 12,4 11,3 13,2 29,4 30,8 27,4 23, ,4 28,9 19, ,4 23,8 17,6 30,1 30, , ,5 14,8 27,5 29,5 31,9 Grafische Darstellung des Temperaturverlaufes in Verbindung mit der Außentemperatur Komposttemperaturen in 30 cm Tiefe Außentemperatur Alle Temperaturangaben sind in C

7 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

8 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

9 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 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