Super-isolierter H 2 O-Langzeit-Wärmespeicher mit neuartigem Schichtenlader für hohe solare Deckungsgrade

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1 BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGEWANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V. Super-isolierter H 2 O-Langzeit-Wärmespeicher mit neuartigem Schichtenlader für hohe solare Deckungsgrade Dr. Thomas Beikircher, M. Demharter, T. Gschnaidtner, F. Herzog, M. Reuß Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung Abteilung 1: Technik für Energiesysteme und Erneuerbare Energien Walther-Meißner Str. 6, Garching Tel.: 089/

2 Grundlagen I: Solarer Deckungsgrad = konv. Einsparung solar konventionell <- -> Etot (konv) f Etot (solar) sol = % Etot (konv) 100 Vergleich des konventionellen Energieverbrauchs des solaren mit einem rein konventionellem Wärmeerzeugungssystem

3 Grundlagen II: Einfamilienhaus: Energieverbrauch, Speichervolumen und Kollektorfläche für solare Volldeckung Warmwasser(4 Personen): kwh/a Heizwärmebedarf Altbau gut : 150 kwh/m²a kwh/a Altbau normal saniert, Neubau faktisch: 100 kwh/m kwh/a Neubau Niedrigenergiehaus: 50 kwh/m²a kwh/a Neubau Passivhaus: 15 kwh/m²a 6000kWh/a Energieinhalt Wasserspeicher: kwh/m³ -> m³ Volumen für Jahresenergiebedarferforderlich (saisonale Speicherung ohne Auskühlung, ohne Durchmischung) Wärmegewinn von Sonnenkollektoren: typisch 400 kwh/m²a, also m² Kollektorfläche erforderlich ohne Speicherverluste, ohne Stagnation -> Hohe solare Deckungsgrade nur über Reduktion des Energiebedarfs

4 Grundlagen III: Auskühlung eines sensiblen Wärmespeichers T = T0 e αt α = U A V ρ c p U = λ/d niedrige Wärmeleitfähigkeit λ der Dämmung niedriges Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis A/V -> große Speicher hohe Dämmstärke d Dichte ρund Wärmekapazität c p des Speichermediums hoch

5 Ziele für den neuartigen VSI-Speicher Verwendung einer verbesserten Wärmedämmung, λ/d Einsatz von größeren Speichern (2 50 m³), V und A/V Entwicklung eines effizienten Schichtladers, kein Anspringen der konv. Heizung Projektpartner: Hummelsberger GmbH, Mühldorf am Inn Bildquelle: BINE Informationsdienst

6 Konventionelle Wärmeisolationsmaterialien a) Mineralwolle b) Polyurethan (PU) c) Styropor d) Schaumglas Wärmetransportmechanismen: Festkörperwärmeleitung Gaswärmeleitung Wärmeleitfähigkeiten im Bereich 0,03 W/mK λ 0,06 W/mK (trockener Zustand!) Bildquelle: Internet

7 Thermoskannen-Prinzip (Vakuumisolation) Doppelwandiger Behälter Evakuierung des Wandzwischenraumes auf unter 10-4 mbar zur Unterdrückung der Gaswärmeleitung Wärmetransportmechanismen: Strahlungswärmetransport (ungehinderter Strahlungsaustausch, unabhängig vom Wandabstand d, Pseudowärmeleitfähigkeit λ VI ~ d) Vorteil gegenüber konventioneller Dämmung nur bei kleinen Abständen

8 Vakuumsuperisolation (VSI) Bekannt aus der Kryotechnik zur Aufbewahrung flüssiger Gase bei ca C Doppelwandiger Stahlbehälter Einfüllen eines mikroporösen Pulvers in den Wandzwischenraum Evakuieren der Dämmung ins Feinvakuum Wärmetransportmechanismen: Strahlungswärmetransport wird durch Pulver größtenteils geblockt Gaswärmeleitung wird durch Evakuieren unterdrückt Äußerst geringe Festkörperwärmeleitung aufgrund der hochporösen Struktur Effektive Gesamtwärmeleitfähigkeit im Bereich 0,003 W/mK λ 0,009 W/mK (λ 0,003 0,005 W/mK bei Tieftemperatur-Anwendungen)

9 SEM-Bilder von expandiertem Perlit Quelle:

10 Einfluss der Porengröße λ gas 0 Drehschieberpumpen

11 VSI-Materialien Wärmeleitfähigkeiten VSI-Materialien 55 Wärmeleitfähigkeit λ[mw/mk] ,001 0,01 0, Gasdruck p Gas [mbar] Polyurethanhartschaum pyrogene Kieselsäure Perlit Glasfasern Aerogel Perlit: Kosten nur 50 /m³, 0,05 mbar erforderlich, 7-10 mw/mk erreichbar, 50 mw/mk bei 1000 mbar Pyr. Kieselsäure: 10mal teurer, nur 10 mbar erforderlich, 3-5 mw/mk erreichbar, 20 mw/mk bei 1000 mbar

12 Schematischer Aufbau des Speichers (solare Anwendung) äußerer Tank solare Schichtladeeinheit innerer Tank Schichtladeeinheit Heizung Ringspalt Vakuumflansch Heizung/WW Vorlauf Heizung/WW Rücklauf Solar Vorlauf Solar Rücklauf

13 Speicher-Prototyp in Mühldorf am Inn Firmengelände der Hummelsberger GmbH Gesamthöhe: ca. 7 m Außendurchmesser: 2,4 m Speichervolumen: 16,4 m³ Isolationsdicke des Ringspalts: 20 cm (üblich bei konventionellen Speichern: 10 cm) Verbesserung um Faktor 2 bei der Isolationsdicke Verbesserung um Faktor 5 bis 7 bei der Wärmeleitfähigkeit Verringerung der Wärmeverluste um eine Größenordnung (Faktor 10)

14 Messtechnik 6 Temperaturfühler innen 6 Temperaturfühler außen 2 Vakuumdrucksensoren Durchflussmesser und Temperatursensoren an den Zuleitungsanschlüssen Messung der eingespeisten bzw. entnommenen Leistung und Wärmemenge Messung und Kontrolle der Vorlauf-und Rücklauftemperatur für Schichtungsversuche

15 Wärmeverlustmessung am Prototypspeicher dt K = 0,23 dt d Bisher üblich: 2 bis 4 K pro Tag Verbesserung um Faktor 10 UA-Wert = 1,98 W/K, inklusive Anschlüsse/Aufhängung λ der Speicherhülle = 0,009 W/mK, Potenzial bis 0,007 W/mK

16 Abkühlkurven: PU gegen VSI-Speicher, gleiches Volumen und Dämmstärke

17 Langzeitverhalten über 20 Jahre Nach 20 Jahren 1,4 mbar, λ =?? mw/mk, Pyrogene Kieselsäure: 5 mw/mk

18 Zylinderapparatur am ZAE Garching Messung der stationären Heizleistung P el und der Temperaturdifferenz T P el Perlit Kabel ( λg + λc ) Sgeo Q& 0 = Q& + Q& = T + Kalibrierung zur Bestimmung der Konstanten Q& 0 und S geo

19 Labormessungen zur Wärmeleitfähigkeit von Perlit bei verschiedenen Temperaturen, Schüttdichten und Vakuumdrücken

20 Effektive Wärmeleitfähigkeit von Perlit λ eff λ s λ r λ g λ c λ s : Festkörperwärmeleitung (dichteabhängig) λ r : Strahlungstransport (Überlagerung von Absorption, isotroper Emission und Streuung, dichte- und temperaturabhängig) λ g : Gaswärmeleitung in den Poren (druck-und temperaturabhängig) λ c : Kopplungseffekt (im Wesentlichen Gaswärmeleitung in den Kornzwischenräumen, druck- und temperaturabhängig)

21 Ergebnisse der Labormessungen Bestimmung der effektiven Gesamtwärmeleitfähigkeit der Perlit-Dämmung bei gegebener Temperatur, Dichte und Vakuumdruck λ r = 3 16 σtr 3 = 2,6 10 * 3ρe W ( T ) mk r λ s = C 1 ρ + C 2 = 5, W mk Berechnung: λ eff =λs+λr+λg+λc= 0,0092 W mk λ g + λ c = λ0 g p 1 + p 1/2 + Φ λ0 c p 1 + p 1/2 = 1, W mk Experiment: λ eff =0,009 W mk bei 0,08 mbar Hervorragende Übereinstimmung

22 Ergebnisse der Labormessungen: Druckabhängigkeit der Gaswärmeleitung (Poren + Kornzwischenräume) Anfangsdruck im 16,5 m³ Prototypen Druck nach 20 a im 16,5 m³ Prototypen Nach 20 Jahren 1,4 mbar -> Perlit: λ= 20 mw/mk, pyrogene Kieselsäure: 5 mw/mk

23 Mögliche Anwendungen für VSI-Technologie Saisonaler Solarspeicher Industrielle Prozesswärme Solare Kraftwerke bis 100 C C C Bildquelle: Wikipedia

24 Solaranlage mit hohem Deckungsgrad: Systemsimulationen z.b. Einfamilienhaus am Standort München 200 l/d bei 50 C 35 C Vorlauf 25 C Rücklauf 150 m² München

25 Simulationen, EFH 50 kwh/m²a, Niedrigenergiehaus, FK mit 2,3 m² 1 27 m² FPC 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Solarer Deckungsgrad 10 m² FPC Anzahl der Kollektoren 1 m³ PU hart - Speicher RK 1 m³ PU hart - Speicher 5 m³ PU hart - Speicher 7 m³ PU hart - Speicher 11 m³ PU hart - Speicher 15 m³ PU hart - Speicher 20 m³ PU hart - Speicher 30 m³ PU hart - Speicher 1 m³ VSI - Speicher RK 1 m³ VSI - Speicher 5 m³ VSI - Speicher 7 m³ VSI - Speicher 11 m³ VSI - Speicher 15 m³ VSI - Speicher 20 m³ VSI - Speicher 30 m³ VSI - Speicher

26 Simulationen, EFH 15 kwh/m²a, Passivhaus, FK mit 2,3 m² 1 0,9 10 m² FPC 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Solarer Deckungsgrad Anzahl der Kollektoren 1 m³ PU hart - Speicher 5 m³ PU hart - Speicher 7 m³ PU hart - Speicher 11 m³ PU hart - Speicher 15 m³ PU hart - Speicher 20 m³ PU hart - Speicher 30 m³ PU hart - Speicher 1 m³ VSI - Speicher 5 m³ VSI - Speicher 7 m³ VSI - Speicher 11 m³ VSI - Speicher 15 m³ VSI - Speicher 20 m³ VSI - Speicher 30 m³ VSI - Speicher

27 Zusammenfassung der Simulationsergebnisse VSI-Dämmung spart Kollektorfläche bei gleicher solarer Deckung und Speichervolumen erhöht solare Deckung bei gleicher Kollektorfläche und Speichervolumen Hohe solare Deckungsgrade ( > 80%) sinnvoll nur mit großem VSI-Speicher. Minimale konventionelle Nachheizung (el. Heizstab!) Realisierbare moderate Kollektorflächen Kaum Stagnationszeiten der Kollektoren und längere Lebensdauer der Anlage Vorteile der VSI-Dämmung wachsen, je höher die solare Deckung und je größer der Speicher ist. Grund ist die längere Speicherdauer. -> VSI-gedämmter saisonaler Speicher für solare Nahwärme

28 Schichtladeeinheit Stabile thermische Schichtung im Speicher wichtig für den Gesamtertrag einer thermischen Solaranlage Optimierungspotential bei bestehenden Schichtladevorrichtungen für kleine Speicher (bis ca. 2 m³) Wenig Erfahrung für größere Speicher (bis ca. 50 m³), grobe Richtlinien, experimentell nicht bestätigt CFD-Simulationen am ZAE Bayern Aufbau eines Experimentierspeichers im Labormaßstab, 300 l

29 Experimentelle Untersuchung und Optimierung der Schichtladevorrichtung Optimales Ergebnis für die Beladung eines kalten Speichers: Im oberen Bereich baut sich eine warme Schicht auf, deren Temperatur möglichst nahe an der Vorlauftemperatur liegt Der untere Bereich des Speichers bleibt unverändert kalt Die beiden thermischen Schichten sind klar voneinander getrennt

30 Experimentelle Untersuchung und Optimierung der Schichtladevorrichtung Optimales Ergebnis für die Einschichtung in einen bereits geschichteten Speicher Das eingeleitete Fluid strömt entsprechend seiner Temperatur in der richtigen Höhe aus Die übrigen thermischen Schichten bleiben unverändert

31 Experimentelle Untersuchung und Optimierung der Schichtladevorrichtung Beispiele für untersuchte Schichtlader-Konfigurationen (10), Otti Solarthermie Forum, Beitrag 2012

32 Patentierter Schichtenlader mit Klappenmechanismus Hervorragende Schichtungseigenschaften im Labor Übertragbarkeit 300 l -> 16,5 m³ erfolgreich getestet für verwandten Schichtenlader Ab September 2012: VSI-Speicher mit PC-Klappen und 6,5 m³ im realen Betrieb am ZAE Bayern

33 Reale Anlage, 65 % solare Deckung, 55 m² Kollektoren, 11 m³ VSI- Speicher, Bergen am Chiemsee, Außenaufstellung spart umbauten Rohbau (100 /m³) Innenaufstellung ohne Gebäudeaufheizung im Sommer möglich bis 50 m³ und 3 m Durchmesser bis 100 C, 3 bar VSI-Speicher etwa 1-2 mal so teuer wie konventionelle Speicher Preisliste unter vakuumpufferspeicher.de

34 Superisolierter Langzeit-Warmwasserspeicher für hohe solare Deckungsgrade, Dr. Thomas Beikircher Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Wir danken für die Förderung des Projektes durch das Deutsche Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit unter Förderkennzeichen A.

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