Neue Entwicklungen im Bereich kleiner und mittlerer Speicher mit Superisolation

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1 Neue Entwicklungen im Bereich kleiner und mittlerer Speicher mit Superisolation Matthias Demharter, M.Sc., Dr. Thomas Beikircher Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung, Abteilung 1 Walther-Meißner-Straße 6, Garching bei München Tel.: , Fax: demharter@muc.zae-bayern.de, beikircher@muc.zae-bayern.de Einleitung und Übersicht Heutige thermische Solaranlagen verfügen typischerweise über Kollektorflächen von 5 20 m² sowie einen mit Mineralwolle oder PU-Schaum gedämmten Wasserspeicher mit einem Speichervolumen von 0,5 2 m³. Somit lassen sich etwa % des jährlichen Wärmebedarfs eines Wohngebäudes decken. Für eine stärkere Reduktion der CO 2 -Emissionen gerade im Wohnbereich, wo z.b. in Deutschland 40 % der gesamten Wärmeenergie verbraucht werden, ist es jedoch unumgänglich, zukünftig deutlich höhere solare Deckungsgrade möglichst über 50 % zu realisieren. Will man dabei auf eine kostspielige und für die Langzeitstabilität der Solaranlage problematische Überdimensionierung des Kollektorfelds verzichten, sind größere ( m³, je nach Deckungsgrad und Jahreswärmebedarf) und besser isolierte solare Pufferspeicher zur Langzeitspeicherung notwendig. Bis heute gibt es nur vereinzelt Anlagen mit Deckungsgraden über 50 %. Aus der Kryotechnik sind für Transport und Aufbewahrung technischer Flüssiggase (z.b. H 2, N 2 oder O 2 ) bei ca C Speicher mit Vakuum-Superisolation (VSI) bekannt. Behälter dieser Art sind doppelwandig ausgeführt; der Zwischenraum ist mit einer trockenen, mikroporösen Pulverisolation befüllt und ins Hochvakuum evakuiert. Hierdurch wird Konvektion und Gaswärmeleitung nahezu vollständig unterdrückt. Der Wärmetransport durch Strahlung wird durch das opake Füllmaterial weitgehend reduziert und auch die Festkörperwärmeleitung ist wegen der hochporösen Struktur äußerst gering. Als Isolationsmaterial eignet sich z.b. expandiertes Perlit. Dieses preiswerte, ungiftige und bis 800 C temperaturstabile Pulver wird in einem technischen Blähprozess aus natürlichem Vulkangestein (Obsidian) gewonnen. Bei Speichertemperaturen um -200 C werden niedrigste effektive Wärmeleitfähigkeiten erreicht, die je nach Dichte und Materialeigenschaften des Perlitpulvers im Bereich von 0,003 0,005 W/mK liegen ([1] und [2]). Zum Vergleich liegen die Wärmeleitfähigkeiten konventioneller Isolationsmaterialien (PU-Schaum, Mineralwolle, etc.) bei Raumtemperatur zwischen 0,03 und 0,06 W/mK. Der Unterschied um den Faktor 10 zeigt das Potential der VSI-Technik auch bei höheren Speichertemperaturen. Das Konzept der Vakuum-Superisolation mit expandiertem Perlit wurde am ZAE Bayern in Kooperation mit dem mittelständischen Metallverarbeitungsunternehmen Hummelsberger GmbH ( erstmals auf höhere Anwendungstemperaturen, u.a. für Speicher zur Solarenergienutzung übertragen.

2 Dabei wurde die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von den Parametern Temperatur, Vakuumdruck und Schüttdichte des Perlitpulvers in Laborexperimenten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich auch bei höheren Temperaturen sehr niedrige Wärmeleitfähigkeiten erreichen lassen. Messungen an einem Speicherprototypen für solare Anwendungen ergaben einen Wert von 0,009 W/mK. Auch praktische Probleme, die z.b. mit der Langzeitstabilität des Vakuumdrucks oder der Feuchtigkeitsaufnahme des Perlit-Pulvers zusammenhängen, können unter ökonomischen Rahmenbedingungen beherrscht werden. Für die Effizienz großvolumiger solarer Heißwasser-Langzeitspeicher ist auch eine stabile thermische Schichtung innerhalb des Speichers wesentlich. Dabei ist das Problem einer Be- und Entladung ohne Zerstörung dieser Schichtung bisher nur für kleine Speicher (etwa 0,5 1 m³) befriedigend gelöst. Für größere Speicher existieren nur grundsätzliche Empfehlungen, deren Wirksamkeit in der Praxis noch nicht zuverlässig nachgewiesen werden konnte. Im laufenden Vorhaben wurden daher an einem Laborteststand verschiedene Beladevorrichtungen zum Erreichen einer stabilen Temperaturschichtung aufgebaut und getestet. Aufbau und Vermessung des ersten Speicherprototyps Der erste Echtgrößenprototyp mit einem Wasservolumen von ca. 16,4 m³ und einer Höhe von ca. 7 m wurde im Winter 2010 gebaut und auf dem Firmengelände des Projektpartners in Mühldorf aufgestellt (Abbildung 1). Der Ringspalt des doppelwandigen zylindrischen Stahlspeichers von 20 cm Spaltweite ist mit Perlitpulver gefüllt und wurde auf 0,08 mbar evakuiert. Der Speicher ist mit einer am ZAE Bayern entwickelten Schichtladevorrichtung ausgestattet und kann an eine Solaranlage sowie ein Heizungsnetz angeschlossen werden. Die Konstruktion der Schichtladeeinrichtung erfolgte in Anlehnung an den Planungsleitfaden zur geschichteten Be- und Entladung thermischer Speicher in solarthermischen Anlagen von R. Lohse et al. [3]. Der Speicher wurde mit 90 C heißem Wasser befüllt und anschließend die Abkühlrate bestimmt. Dabei ergaben sich im Dezember 2010 bei einer mittleren Außentemperatur von -4 C folgende Resultate: Die mittlere Auskühlrate des Wassers im Innentank betrug lediglich 0,23 K pro Tag oder etwa 6,5 K pro Monat. Der Gesamtwärmeverlust U A bezogen auf die Temperaturdifferenz zwischen Wasser und Umgebung, der auch Verluste über eventuelle Wärmebrücken (z.b. Anschlussleitungen) berücksichtigt, lag unter 2 W/K. Diese hervorragenden Werte zeigen die Überlegenheit einer Vakuumsuperisolation, denn bei konventionellen Speichern betragen die Abkühlraten typischerweise einige Kelvin pro Tag bei realen U A -Werten von typisch 10 W/K [4]. Über die Geometrie des Speichers lässt sich aus der Abkühlrate die effektive Wärmeleitfähigkeit der Perlitdämmung berechnen: Der ermittelte Wert von 0,009 W/m K bei einer mittleren Wassertemperatur von ca. 90 K über Umgebung ist in sehr guter Übereinstimmung mit theoretischen Modellen zum

3 Wärmetransport in evakuierten Perlit-Pulverisolationen, die am ZAE Bayern entwickelt wurden [5]. Durch die langjährige Erfahrung der Fa. Hummelsberger beim Schweißen von hochvakuumdichten Außenspeichern für Kryotanks ergab sich bereits beim ersten Prototypen über einen Messzeitraum von 3 Monaten ein Druckanstieg von lediglich 9, mbar/h, das entspricht 1,4 mbar auf 20 Jahre. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieser Wert erzielt wurde, obwohl aus Gründen der messtechnischen Überwachung zahlreiche, mit zusätzlichen Leckagen verbundene Vakuumflansche am Prototypen montiert sind. Daher ist davon auszugehen, dass beim Serienprodukt ein Nachevakuieren über die Lebensdauer nicht zwingend erforderlich ist. Nimmt man an, dass in der Serienfertigung die Leckrate um einen Faktor 5 verringert werden kann, so ist nach den Ergebnissen der Laborexperimente auch nach 20 Jahren eine Wärmeleitfähigkeit von lediglich etwa 0,013 W/Km zu erwarten. Hingegen besteht bei der konventionellen Dämmung die Gefahr einer drastischen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit durch allmähliche Durchfeuchtung. Falls nötig wäre eine Nachevakuierung der Perlit-Isolation trotzdem ohne größeren Aufwand möglich. Abbildung 1: Echtgrößen-Prototyp eines Langzeit-Warmwasserspeichers mit Vakuum-Superisolation. Laborexperimente zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Im Allgemeinen lässt sich die Wärmeleitung durch ein mikroporöses Pulver in vier additive Beiträge aufteilen: Wärmeleitung über das Festkörpergerippe, Gaswärmeleitung in den Poren, Wärmetransport durch Strahlung im Infrarot-Bereich sowie den Kopplungs-Effekt, der im Wesentlichen das Kurzschließen der Wärmewiderstände zwischen den einzelnen Pulverkörnern durch Gasmoleküle beschreibt [6]. Alle vier Wärmetransportmechanismen sind temperaturabhängig. Festkörper- und Strahlungswärmeleitung hängen zusätzlich von der Schüttdichte des Pulvers ab, während Gaswärmeleitung und Kopplungseffekt auch eine Funktion des

4 Vakuumdrucks sind. In ausführlichen Laborexperimenten wurden am ZAE Bayern die einzelnen Beiträge sowie die effektive Gesamtwärmeleitfähigkeit des verwendeten Perlit-Pulvers in Abhängigkeit der drei erwähnten Parameter untersucht. In Abbildung 2 ist exemplarisch die Druckabhängigkeit der Gaswärmeleitung und des Kopplungseffektes gezeigt. Als Ergebnis der Messungen lässt sich die effektive Gesamtwärmeleitfähigkeit der Pulverisolation bei gegebenen Werten für Temperatur, Schüttdichte und Vakuumdruck berechnen. Bei den typischen Anwendungstemperaturen für thermische Solaranlagen ergibt sich aus der Theorie eine minimal mögliche Wärmeleitfähigkeit von 0,007 W/mK [5]. Somit ist der experimentell ermittelte Wert des Prototypen (0,009 W/mK) bereits sehr nahe am Optimum. Er ließe sich nur noch durch die Absenkung des Vakuumdrucks von 0,08 auf 0,01 mbar und durch eine Verringerung der Schüttdichte minimal verbessern. Abbildung 2: Summe aus Gaswärmeleitfähigkeit λ g und Kopplungsterm λ c als Funktion des Vakuumdrucks zwischen 0,01 und 1000 mbar für Perlit als VSI-Dämmmaterial. Systemsimulationen: Solaranlage mit VSI-Speicher Für die Systemsimulation von Solaranlagen mit dem neuartigen VSI-Speicher bei hoher solarer Deckung wurden umfangreiche Simulationen für Ein- und Mehrfamilienhäuser mit Neubau- sowie aus dem Bestandsstandard durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass der neuartige VSI-Speicher wegen seiner außergewöhnlichen Wärmeisolation in der Lage ist, Sonnenwärme über Wochen bis Monate zu speichern. Daher können gerade bei großen Speichervolumina hohe solare Deckungsgrade auch schon mit geringen Kollektorflächen erreicht werden.

5 Im Folgenden werden die Simulations-Randbedingungen beschrieben: Hausstandard: Es wurde ein Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von 150 m² simuliert. Der Warmwasserbedarf wurde zu 50 Liter pro Person und Tag bei einer Temperatur von 50 C angenommen. Es wurden drei unterschiedliche Hausstandards festgelegt. Für den Haustyp Altbau wurde ein Heizwärmebedarf (HWB) von 150 kwh/m²a gewählt, für den Haustyp Neubau wurde dieser auf 50 kwh/m²a festgesetzt. Für ein sogenanntes Drei-Liter-Haus wurde mit einem HWB von 25 kwh/m²a gerechnet. Standort: Als Simulationsstandort wurde München mit einer durchschnittlichen horizontalen Sonneneinstrahlung von 1170 kwh/m²a festgelegt. Die Jahresdurchschnittstemperatur beträgt 7,6 C, die Kaltwassertemperatur 10 C. Kollektor: Für jedes der simulierten Häuser wurden Speichervolumina und Kollektorflächen variiert. Die Kollektorfelder hatten Flächen von 10, 20, 50, 100 und 200 m². Zur Bereitstellung der solaren Wärme wurde für alle Systemvarianten zum einen mit dem Flachkollektor Arcon HT-SA mit Folienisolation gerechnet. Dieser stellt den neuesten Stand der Technik im Bereich Flachkollektoren dar und erzielt sehr hohe solare Erträge bei der gewählten Aufständerung nach Süden mit 45 Neigung. Zum anderen wurden alle Simulationen auch mit dem Vakuumröhrenkollektor Vaillant VTK 1140 durchgeführt. Als Durchflussart wurde die Low-Flow Variante gewählt. Speicherdämmung: Die simulierten Speichervolumina lagen bei 1, 5, 10, 20 und 50 m³. Für den neu entwickelten vakuumsuperisolierten (VSI) Speicher wurde eine Dämmstärke von 20 cm mit einer effektiven mittleren Wärmeleitfähigkeit λ(t) von 0,01 W/mK angenommen, was dem erreichten Effektivwert (Gesamtwärmeverluste inkl. Anschlüsse etc.) des ersten Prototyps entspricht. Zum Vergleich wurden alle Simulationen auch mit einem Standardspeicher mit PU-Hartschaumdämmung typischer Dämmstärke von 10 cm durchgeführt. Jedoch treten in der Praxis bei herkömmlichen Speichern zusätzliche Wärmeverluste auf, z.b. über Kamineffekte, Speicheranschlüsse sowie Deckel und Boden [7]. Diese Verlustmechanismen wurden durch repräsentative Korrekturfaktoren, wie in [4] empfohlen, korrigiert. Für einen Pufferspeicher von 1 m³ ergeben sich beispielhaft um 70 % erhöhte Wärmeverluste gegenüber ideal simulierten Speichern. Solarer Deckungsgrad: Zur Ermittlung des solaren Deckungsgrads bzw. der Einsparung konventioneller Energie wurde für alte und neue Baustandards jeweils eine konventionelle Referenzanlage abgebildet. Der solare Deckungsgrad der Solaranlage stellt die tatsächliche Energieeinsparung gegenüber der Referenz dar und errechnet sich wie folgt: (ref) (solar) f Etot Etot sol % Etot (ref) 100

6 Dabei ist E tot (ref) die Summe des verbrauchten Brennstoffs und Stroms für das Referenzsystem und E tot (solar) der entsprechende Wert des solaren Systems. Exemplarisch soll auf ein Einfamilienhaus (EFH) mit Einspeichersystem bei einem Heizwärmebedarf (HWB) von 25 kwh/m² näher eingegangen werden. Dieser relativ niedrige HWB entspricht bereits einem sehr guten Dämmstandard ( Drei-Liter- Haus ). Abbildung 3 gilt für Flachkollektoren und zeigt, dass bei gleicher Kollektorfläche mit VSI-Speichern gegenüber herkömmlichen Speichern deutlich höhere Deckungsgrade erzielt werden. Umgekehrt kann z.b. eine 50 % Deckung mit VSI schon bei geringeren Kollektorflächen erreicht werden. VSI20 VSI10 VSI5 VSI2 PU1 VSI1 PU2 PU5 PU10 PU20 Abbildung 3: Solarer Deckungsgrad f sol für ein EFH (150 m², 4 Personen, HWB 25 kwh/m²a) mit Einspeichersystem gegen Kollektorfeldgröße (Flachkollektoren, Kollektorneigung 45, Ausrichtung: Süd) bei unterschiedlichen Speichervolumina und Speicherdämmungen. VSI bezeichnet den vakuumsuperisolierten Speicher (gestrichelte Kurven). Die durchgezogenen Kurven entsprechen heute verfügbaren Speichern mit Standardisolationen aus PU-Hartschaum. Auffällig ist der niedrige Deckungsgrad der überdimensionierten, standardisolierten Speicher bei kleinen Kollektorflächen. Der Grund liegt darin, dass ihre Wärmeverluste größer sind als die Kollektorgewinne. Bei den VSI-Speichern tritt dies durch die fast perfekte Dämmung nicht auf. Das Diagramm zeigt außerdem, dass solare Volldeckung (f sol > 90 %) sinnvoll (z.b. mit lediglich 50 m² Kollektorfläche) nur mit VSI und großen Speichervolumina erreicht werden kann. Bei höherem HWB reduziert sich der Unterschied zwischen VSI und konventioneller Isolation, da die Wärme dem Speicher schneller entzogen wird und die Güte der Dämmung wegen der kurzen Verweilzeiten der Wärme im Speicher nicht wesentlich ist. Der Einsatz von Röhrenkollektoren bringt in allen Varianten einen um einige Prozentpunkte erhöhten solaren Deckungsanteil, vgl. dazu Abbildung 4.

7 VSI20 VSI10 VSI5 VSI2 PU1 VSI1 PU2 PU5 PU10 PU20 Abbildung 4: Solarer Deckungsgrad f sol wie in Abbildung 3, jedoch mit Vakuumröhrenkollektoren. Experimentelle Untersuchung von Schichtladevorrichtungen Im Rahmen des F&E-Projektes wurden für große Speicher die Voraussetzungen für eine Be- und Entladevorrichtung mit einer stabilen Temperaturschichtung untersucht und die Güte vorhandener Schichtenladesysteme analysiert. Bei bisherigen Untersuchungen anderer Forschungseinrichtungen ([3] und [8]) wurden zwei Vermischungseffekte identifiziert, die einen wesentlichen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit des Schichtladesystems haben. Um in Zukunft zuverlässige Beladesysteme zu entwickeln, war es zunächst notwendig, bestehende Schichtladekonzepte im Labor zu untersuchen und ihre Vorund Nachteile zu analysieren. Hierbei war besonders darauf zu achten, dass die Aussagen der Laborexperimente im kleinen Maßstab auf Echtgrößenspeicher übertragbar sind. Unter diesen Prämissen wurde ein neuer Laborteststand aufgebaut und bestehende Schichtenlader getestet. Es zeigte sich, dass die Schichtladevorrichtung, die bereits im ersten Speicherprototypen zum Einsatz kam, gute Ergebnisse liefert. Mit keiner anderen Konfiguration, die nicht auf bewegliche Bauteile zurückgreift, ließ sich eine bessere Temperaturschichtung realisieren. Jedoch lassen sich die oben erwähnten Vermischungseffekte noch maßgeblich reduzieren, wenn die Auslässe des Schichtladers mit beweglichen Klappen versehen werden. Somit kann die thermische Schichtung deutlich verbessert werden. Aufgrund dieser Ergebnisse wurde ein klappenbasierter Schichtlader entwickelt, untersucht und optimiert, der in Zukunft für große Solarspeicher verwendet werden kann.

8 Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen des Forschungsprojektes hat sich gezeigt, dass die VSI-Technik auch für große (1 100 m³) solare Langzeitspeicher geeignet ist, da sich deutlich verringerte Auskühlraten erzielen lassen. Außerdem können höhere solare Deckungsgrade durch eine Vergrößerung des Speichervolumens und die verbesserte Dämmung bereits bei deutlich kleineren Kollektorflächen erreicht werden. Im Hinblick auf die bisher nicht zufriedenstellende Problematik der thermischen Schichtung konnten große Fortschritte gemacht werden. Nachdem die Entwicklungsarbeit zum VSI- Speicher größtenteils abgeschlossen ist, soll der Speicher nun erfolgreich vermarktet werden. Neben der Nutzung für solarthermische Anlagen sind auch weitere Anwendungsbereiche für den VSI-Speicher denkbar, z.b. die Speicherung solarer, industrieller Prozesswärme im Mitteltemperaturbereich. Es existieren bereits erste Ideen und Ansätze für weitere Entwicklungsarbeit im Hinblick auf diese Anwendungen bei höheren Temperaturen. Wir bedanken uns für die Förderung durch das Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit unter der Fördernummer A. Literaturverzeichnis [1] A. Hofmann, Messungen der Wärmeleitfähigkeit von Pulvervakuumisolierungen, Linde AG: Berichte aus Technik und Wissenschaft, Bd. 19, pp , [2] T. Rettelbach, D. Sator, S. Korder und J. Fricke, Thermal Conductivity of Evacuated Insulating Powders for Temperatures from 10 K to 275 K, Thermal Conductivity, Bd. 23, pp , [3] R. Lohse, S. Göppert, T. Urbaneck, U. Schirmer und B. Platzer, Planungsleitfaden zur geschichteten Be- und Entladung thermischer Speicher in solarthermischen Anlagen, TU Chemnitz, TU Ilmenau, [4] R. Heimrath, Simulation, Optimierung und Vergleich solarthermischer Anlagen zur Raumwärmeversorgung von Mehrfamilienhäusern, Institut für Wärmetechnik, TU Graz, [5] M. Demharter, Heat Transport in Evacuated Perlite Powder Insulations and Its Application in Long-Term Hot Water Storages, Master Thesis, Technische Universität München, [6] K. Swimm, G. Reichenauer, S. Vidi und H.-P. Ebert, Gas Pressure Dependence of the Heat Transport in Porous Solids with Pores Smaller than 10μm, International Journal of Thermophysics, Bd. 30, pp , [7] E. Augsten, Warm einpacken, Sonne Wind & Wärme, Nr. 6, pp , [8] S. Göppert, R. Lohse, T. Urbaneck, U. Schirmer und B. Platzer, Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher, TU Chemnitz; TU Ilmenau, 2008.