Wärme (Langzeit-) Speicher aus Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) Entwicklung

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1 Titel Wärme (Langzeit-) Speicher aus Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) Entwicklung Dipl.-Ing. Jürgen Bühl Technical University of Ilmenau, Institut of Thermodynamics and Fluid Mechanics Dipl.-Ing. Rolf Förster ED energie.depot GmbH Radeberg Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. Berthold Knauer Schönbrunn Franz Klein Verbundwerkstoff- und Kunststoffanwendungstechnik GmbH Schönbrunn

2 Klima derzeitige Weltausgangssituation!!!! 0. Einleitung / Ausgangsposition Abb. 001 Klimasituation ( Quelle: cib / AP ) 2

3 Endenergiebedarf in Europa 2006 Endenergiebedarf in Europa (2006) Abb.002 Endenergiebedarf in Europa (Quelle:EREC 2006) Thermische Energie macht einen wesentlichen Teil des gesamten weltweiten Energiebedarfs aus. Neben dem Gebäudebereich besteht ein beträchtlicher Verbrauch thermischer Energie auch bei industriellen Prozessen und wärmeintensiven Dienstleistungen. 3

4 Künftig Solarwärme Hauptwärmequelle In künftigen Wärmeversorgungssystemen wird Solarwärme die Hauptwärmequelle eines Gebäudes und weitere Wärmequellen nur als Backup vorhanden sein. Das 21. Jahrhundert wird also das Jahrhundert der Solarenergie. Weitere Anwendungen für Wärme- und Kältespeicher erschließen sich durch solare Gebäude Klimatisierung, solar unterstützte Wärmepumpensysteme und künftig die solare Stromerzeugung. Ein Schlüssel zum verstärkten Einsatz regenerativer Energien (insbesondere der Solarthermie) ist neben der Erhöhung der Energieeffizienz der Gebäude (z.b. Sonnenhausstandard) die Zuordnung von effizienten Wärme (Energie-) Speichern. 4

5 Wärmespeicherentwicklung an der TU Ilmenau An der TU Ilmenau (Institut für Thermo- und Fluiddynamik) werden seit 1995 in Zusammenarbeit mit Industriepartnern Wärmespeicherkonzepte auf der Grundlage des Einsatzes Glasfaserverstärkter Kunststoffe (GFK) entwickelt und umgesetzt. Warum GFK-Material? Die in diesem Zeitraum gemachten Einsatzerfahrungen zeigen, dass GFK die Mehrzahl der geforderten Positiven Eigenschaften zum Einsatz als Wärmespeichermaterial in sich vereint. Ihre Eignung ist im praktischem Einsatz nachgewiesen. 5

6 Eigenschaften des Werkstoffs Glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) Glasfaserverstärkte Kunststoffe gehören damit für die Anwendung zum Bau von Wärmespeichern zur Klasse der Werkstoffe nach Maß! Dies betrifft besonders nachfolgende Eigenschaften: Thermische und mediale Langzeitfestigkeit + Steifigkeit Wärmedehnung / Wärmedurchgang Diffusionsdichtheit / Dichte / Verarbeitbarkeit Optimierungsmöglichkeiten der Herstellungskosten 6

7 Vision 2. Speicherentwicklung / Vision /Grundlagen Abb.003 (Erste) Projektskizze eines 6000 m³ GFK-Heißwasser- Speichers (Quelle: TU Ilmenau FG TFD 1995) 7

8 Musterspeicher 1,3 m³ 2.1 Musterspeicher 1,3 m³ aus GFK-Ringen (gewickelt) mit integrierter Wärmedämmung Entwickelt und gebaut wurde der Muster- Speicher auf der Grundlage vorausgewählter Materialien und Kompositionen als Sandwich- Modellkörper mit proportionaler Wärme- Dämmschicht sowie ausgewählten Misch- Laminaten mit einem Speichervolumen von 1,3 m³ (Brutto)1996. Insbesondere sollte untersucht werden, ob die Materialien langzeitstandfest, temperatur- und medienbeständig (Wärmeträger: Wasser) sind und der gewählte Wandaufbau die erforderlichen Wärmedämmeigenschaften aufweist. Der Nachweis wurde erbracht. Abb.004 Musterspeicher 1,3 m³ zur Materialerprobung (Quelle: Foto TU Ilmenau 1997) 8

9 Pilotspeicher 300 m³ (1) m³ Pilotspeicher aus GFK Modulen mit integrierter Wärmedämmung Abb.008 Variationen der Dämmschicht- dicke (Quelle: Foto TU Ilmenau 1997) Abb D Darstellung des GFK-Wärmespeichers Abb.006 Realisierter Pilotspeicher Abb.007 Autokranmontage (Quelle: TU Ilmenau 1997 (Quelle: Foto TU Ilmenau 2000) (Quelle: Foto: TU Ilmenau 2000) 9

10 Speicher Neue Technologie(NT) (1) 2.3 Entwicklung Speicher NT ( Neue Technologie ) 20 m³ Musterspeicher (Die Planung erfolgte in Zusammenarbeit der TU Ilmenau mit der VKA GmbH Schönbrunn und dem ILL Dresden. Der Wärmespeicher nach Neuer Technologie besteht aus 26 geometrisch einfach gestalteten Einzel-Segmenten (Her-stellung im Vakuum-Gieß-Press-Verfahren), die unter Nutzung von Montagehilfen senk-recht montiert werden. Die Berührungsflächen werden verklebt und die vorhandenen Fugen innen / außen handlaminiert. Die mechanische Belastbarkeit ist gegeben durch Glasfaserseile, die mit Hilfe eigens entwickelter Spannvorrichtungen im definiertem horizontalem Abstand um den zylindrischen Speicherkörper vorgespannt werden. Abb D Darstellung des 20 m 3 Musterspeichers Abb.010 Ansicht des ausgeführten Speichers nach Neuer Technologie gut zu sehen sind die speziell entwickelten Strang-Wickel-Elemente (Quelle: Foto: TU Ilmenau 2002) (Quelle: Foto: TU Ilmenau 2002) 10

11 3 Speicher Neue Technologie(NT) (2) Hydraulische Einbindung Speicher 20 m³ NT Hydraulikschema der Versuchsanlage 20 m³ Musterspeicher Schönbrunn TA1 Kollektorfeld: 30 m² 20m³ GFK - Musterspeicher NT TKV 95 C Messwerterfassung TKR TPS11 Trinkwasserspeicher 000 m 3 KT TKT1 TPS12 TPS13 AG TKT2 P1 T WT1 T T P2 Regler1 TSP2 000 m 3 SP TSP1 P3 TPS14 TPS15 TSS1 T<60 C T WT2 T T Abb.011 Außenansicht der Versuchs- Anlage (Quelle: Foto: J. Bühl Ilmenau 2002) T WT3 P4 TSS2 T P AG P 000 m 3 SS P5 Kaltwasser Anschluss an Heizkreislauf AG Regler2 Regler3 Temperatursensoren Messtechnik Temperatursensoren Regelung T Mech. Thermometer Abb. 011 Schema der Versuchsanlage am 20 m³ Musterspeicher (Quelle: TU Ilmenau 2002) Abb.012 Thermografieaufnahme der Speicherhülle (Quelle: TU Ilmenau 2002) 11

12 GFK- Speicher in Wickel-Technologie (1) 2.4 GFK-Pufferspeicher in Wickeltechnologie GFK-Pufferspeicher in Wickeltechnologie bis 3,20 m Außendurchmesser Innerhalb der Baureihe wurde die Entwicklung von GFK- Pufferspeichern betrieben. Da die Speicher ihre Endform durch die Herstellungs-technologie bereits beim Hersteller bekommen, wurde der Außendurch-messer (bedingt durch die maximal zulässigen Außenmaße für den Straßentransport) auf 3,20 m begrenzt. Bei den Speichern handelt es sich um drucklose (max. mit 0,5 bar belastbar) Pufferspeicher. Abb m³ Pufferspeicher mit integrierter thermischer Be- und Entladeeinrichtung (Quelle: VKA GmbH Schönbrunn Foto: TU Ilmenau 2004) Abb m³ Pufferspeicher (Quelle: VKA GmbH Schönbrunn Foto: TU Ilmenau 2004) 12

13 GFK- Speicher in Wickel-Technologie (2) Solaranlage im Wohngebiet Kugelberg in Weißenfels Abb. 015 Pufferspeicher mit integrierter thermischer Be-und Entladeeinrichtung / Aufstellung im Freien in Weißenfels (Quelle: Fotos: 2x TU Ilmenau 2002 / 1x J. Bühl Ilmenau 2002) 13

14 Vor Ort montierbare Wärmespeicher aus GFK (1) 2.5 a Vor Ort montierbare Wärmespeicher aus GFK Durch die Hersteller energie.depot, Radeberg und Haase GFK-Technik, Großröhrsdorf wird zur Zeit eine Baureihe GFK-Speicher angeboten, die vor Ort im Keller montiert wird, quasi wie kellergeschweißt beim Stahlspeicher und Speichervolumina von 1 m 3 bis 40 m 3 ermöglicht. Unter der Bezeichnung Hub-Tank entstehen zur Zeit GFK-Speicher, die während der Montage in die Höhe wachsen. Es sind derzeit Durchmesser von 2,5 / 3,0 / 3,5 / 4,0 [m] und Höhen bis zu 10 m realisierbar. Abb.016 Kellermontierter GFK-Speicher (Quelle: ed energie.depot GmbH 2010) Beim Projekt Solare Nahwärmeversorgung von vier Stadtvillen nach KfW 40 Standard in Jena wurde ein derartiger Speicher (Hersteller: Haase GFK-Technik) im Gebäude mit den Speichermaßen d = 3,0 m und h = 4,85 m mit einem Speichervolumen von 30 m 3 im Jahr 2008 realisiert. Die Volumenauslegung und Empfehlungen zur Auslegung der Thermischen Be- und Entladesysteme kamen hierzu von der TU Ilmenau. 14

15 Vor Ort montierbare Wärmespeicher aus GFK (2) 2.5 b Wärmespeicher (15 m³) in der solargestützten Nahwärmeversorgung im Nationalpark Hainich und in einem Nahwärmeversorgungssystem ( 5 x 50 m3 ) in Dessau Abb x 50 m 3 Kombispeicher in Dessau (Quelle: ETAplus Köthen / Hersteller energiedepot Radeberg Foto: J. Bühl Ilmenau 2010) Abb m 3 Kombispeicher in Harsberg (Quelle: Hersteller Haase / Foto: J. Bühl Ilmenau 2007) 15

16 Entwicklungsübersicht GFK-Speicher Überblick zur GFK-Wärmespeicher-Entwicklung Musterspeicher/Hersteller VKA Schönbrunn Pilotspeicher/ Hersteller VKA Schönbrunn Speicher Neue Technologie Hersteller: VKA Schönbrunn Pufferspeicher nach dem Wickelverfahren Hersteller: VKA Schönbrunn Pufferspeicher im Keller vor Ort montiert Hersteller Haase GFK Technik Großröhrsdorf energiedepot Radeberg GmbH Radeberg Abbn. 019 Prototypen im Wärmespeichertestlabor der TU Ilmenau Optimierung der Werkstoffeigenschaften 16

17 Verbesserte Eigenschaften der Druck-Wärmespeicher 2.7 Die aktuellen Faserverbund(Wärme-)Speicher zeichnen sich durch nachfolgende Eigenschaften aus: 1. Deutlich geringere Wärmeverluste und damit höherer Wirkungsgrad infolge der werkstoff-spezifischen Dämmeigenschaften im Vergleich zu Stahl 2. Nachhaltige Steigerung der (energetischen) Speicherdichte in Verbindung mit einem neuartigen thermischen Be- und Entladesystem 3. Hervorragende Schichtungseigenschaften 4. Die Massereduzierung im Vergleich zu Stahl führt zur Reduzierung des Aufwandes und damit auch der Kosten bei Transport und Montage 5. Preisneutral im Vergleich zu Ausführungen aus Stahl 6. Korrosionssicherheit und Langlebigkeit 17

18 Weiterentwicklungen - neue Projekte zum Wärmespeicher (1) 3. Aktuelle Forschungsprojekte zur Weiterentwicklung der Faserverbund(Wärme-)Speicher TU Ilmenau und Projektpartner 3.1 ARGE GFK-Druckspeicherentwicklung mit Speichervolumen von m3 (TU Ilmenau / energiedepot Radeberg / VKA Schönbrunn / Prof. Knauer Schönbrunn gefördert durch AiF GmbH Berlin ) Abbn.020 Prototyp eines Druckwärmespeichers im Außengelände und im Wärmespeichertestlabor der TU Ilmenau Optimierung der Werkstoffeigenschaften (Quelle: VKA Schönbrunn / Fotos: J. Bühl Ilmenau 2010 / 2011) Tabelle 18

19 Verfügbarkeit Druck-Wärmespeicher / Beladekurve / Schichtung (2) Ergebnis: Baureihe Wärmespeicher 2 15m³,..3..(6) bar Einheit LLebensdauer GFK-Druck Speicher (2m³) Gewicht [kg] 150 Lebensdauer [a] 40 U-Wert [W/m²K] 0,2 ΔT Schichtung [K/m] 37 T max [ C] 97 p max [bar] 6 Fertigung/Montage inkl. integrierter Be-/Entladetechnik: Fa. VKA Schönbrunn, energie.depot Radeberg. Prüfung,Bewertung,Koordinierung der Weiterentwicklung TU Ilmenau (Institut für Thermo- und Fluiddynamik). 19

20 Verfügbarkeit des Druck-Wärmespeichers / Abkühlkurve (3) 20

21 Aktuelle Weiterentwicklungen 3.2 ARGE 35 Grundlegende Weiterentwicklung zum Werkstoff- und Bauteilverhalten von GFK- Wärmespeichern Voraussetzung zur Entwicklung einer neuen Generation (modular aufgebauter) Wärmespeicher aus GFK bis 35 m3, insbesondere zum Einsatz bei der energetischen Altbausanierung! TU Ilmenau (Institut für Thermo- und Fluiddynamik - AG Regenerative Energieanwendung) / Fak. MB FG Kunststofftechnik / energiedepot Radeberg / Prof. Knauer Schönbrunn / Dr. Wagenknecht Berlin, gefördert durch BMU über Projektträger Jülich / FKZ A) Abb.021 Materialprüfungen zur Ermittlung der Materialausgangsdaten für die Modellierung (Quelle: TU Ilmenau 2011) 21

22 Erfahrungen aus der Praxis (1) 4. Anwendungserfahrungen / Praxis - (drucklose) Heizungssysteme / Wärme-Speichereinsatz - Alternativen aus GFK Sicht - Ziel aus Herstellersicht - GFK Druckspeicher-Entwicklung 22

23 Erfahrungen aus der Praxis (2) Goethe-Institut München: Erste Anwendung von serienmäßig gefertigten GFK-Druckspeichern im Dauerbetrieb (1) Einsatz von: zwei GFK-Druckspeichern als Wärmespeicher einem GFK-Druckspeicher als Kältespeicher in einem System zur Bereitstellung von Strom / Wärme / Kälte mit einem und einer 114 kw-bhkw zur Wärmegrundlastdeckung 83 kw-absorptionskältemaschine zur Kälte- Grundlastdeckung 23

24 Erfahrungen aus der Praxis (3) Goethe-Institut München: Erste Anwendung von serienmäßig gefertigten GFK-Druckspeichern im Dauerbetrieb (2) Abb.022 Wärmespeicher 6 m3 / 6 bar Abb. 023 Kältespeicher 6 m3 / 6 bar (Quelle: energiedepot Radeberg 2012) (Quelle: energiedepot Radeberg 2012) 24

25 Erfahrungen aus der Praxis (4) Goethe-Institut München: Erste Anwendung von serienmäßig gefertigten GFK-Druckspeichern im Dauerbetrieb (3) Abbn. 024 Ansichten zur Speichermontage (Quelle: energiedepot Radeberg 2012) 25

26 Erfahrungen aus der Praxis (5) Erstes Nullenergie-Hochhaus der Welt Radolfzell / Bodensee Umgestaltung eines ehemaligen Wasserturmes mit einer Höhe von 48 m innerhalb eines Demonstrationsvorhabens der BR Deutschland zu einem multifunktionalen Gebäude: Eckdaten: 40 m2 Vakuumröhrenkollektoren 9,5 m3 GFK-Wärme-Speicher (drucklos) 28 kw Wasser-Wasser-Wärmepumpe 6 kw Windkraft 54 kwp PV Abb. 025 Architekten-Entwurf Nullenergiehochhaus Radolfzell (Quelle: Foto: energiedepot Radeberg 2012) 26

27 Danksagung (1) Danksagung Die Entwicklung, Erprobung und Optimierung der GFK- Wärmespeicherentwicklung, sowie der thermischen Be- und Entladung (BES) wurde und wird* gefördert vom: - Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Forschung und Kultur (TMWFK) - Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) - Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) - Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) - Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)* über den Projektträger Jülich (PT J)* - AiF GmbH Berlin* (Entwicklung Druckspeicher) Abb. 026 Wärmespeicher 20 m³ im Winterbetrieb (Quelle: Foto: TU Ilmenau 2002) 27

28 Danksagung (2) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Abbn. 27 (Quelle: TU Ilmenau) Hinweis: Die diesem Vortrag zugrunde liegenden Vorhaben wurden und werden aktuell mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) über den Projektträger Jülich und der AiF Projekt GmbH Berlin gefördert. Der Autor dankt für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. 28