Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz im Rahmen des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes

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1 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz im Rahmen des Kraft-Wärme-Kopplungsgesetzes

2 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz Der vorliegende Berechnungsleitfaden wurde im Rahmen des AGFW Expertenkreises Wärme- /Kältespeicher 1 in Abstimmung mit dem BAFA erarbeitet Der Berechnungsleitfaden ist als Hilfestellung zum Nachweis der Speichereffizienz gemäß KWKG 01 zu sehen Er erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und ist nicht rechtsverbindlich Alternativ zu diesem Leitfaden kann ebenso ein Gutachten erstellt werden, welches die Speichereffizienz nachweist Die Verantwortung des Gutachtens liegt dabei beim Antragsteller Inhaltsverzeichnis I Gesetzesgrundlage II Rahmenbedingungen III Berechnungsvorschrift IV Konzept 4 V Vorgehen 4 VI Behälteroberfläche 5 VII Dämmung 5 VIII Temperaturen 6 Beispielrechnung 6 1 Schritt: Berechnung des Wasseräquivalents 7 Schritt: Berechnung der mittleren Dämmschichtdicke 7 IX Besonderheiten bei Kältespeichern 9 X Besonderheiten bei Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeichern 10 1 Gesetzesgrundlage Das KWKG 01 sieht unter anderem eine Zulassung des Neu- und Ausbaus von Wärme- und Kältespeichern mit einem Volumen von mindestens 1 m³ Wasseräquivalent vor Hierbei erhalten Kälte- und Wärmespeicher, in die überwiegend Kälte bzw Wärme aus KWK-Prozessen gespeichert wird, eine finanzielle Förderung, den so genannten Zuschlag Die Höhe des Zuschlags berechnet sich grundsätzlich proportional zum Wasseräquivalent des Speichers Bei Wärmespeichern über 95 C (Druckspeicher) wird aufgrund deren höherer Energiedichte in der Zuschlagberechnung ein Korrekturfaktor berücksichtigt, durch den ein sachgerechter Zuschlag ermöglicht wird Nähere Einzelheiten dazu entnehmen Sie bitte dem BAFA- Merkblatt Wärme- und Kältespeicher Als notwendige Zulassungsbedingung wird gemäß 5b Absatz 1 Nr und Absatz 4 KWKG gefordert, dass die mittleren Verluste des Speichers weniger als 15 W/m Behälteroberfläche betragen müssen 1 Beteiligt daran waren: Dr Marc Jüdes, EnBW Erneuerbare und Konventionelle Erzeugung AG; Roland Krupp, GKM, Mannheim; Dr Jens Kühne, AGFW ev; Helmut Theiss, N-ERGIE, Nürnberg; Dr Thorsten Urbaneck, TU Chemnitz; Stefan Zinsler, Fernwärme Ulm

3 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz Rahmenbedingungen Der folgende Berechnungsleitfaden stellt eine verhältnismäßig einfache Methode zur Bestimmung der zeitlich und räumlich gemittelten Speicherverluste dar Die Speichertypologien, welche in dem zulassungsfähigen Bereich eingesetzt und gebaut werden, beschränken sich zu ca 90% auf Behälter- bzw Tankspeicher, wie sie in Abbildung 1 beispielhaft dargestellt sind Die nachfolgende Vorschrift bezieht sich daher hauptsächlich auf diese Art von thermischen Speichern Behälter Dämmschicht Bodenplatte Atmosphärischer Speicher Druckbehafteter Speicher Abbildung 1: Häufigste Bauarten von thermischen Kurzzeitspeichern mit angebrachter Dämmschicht Berechnungsweg Wasseräquivalent Verschiedene Großspeicher nutzen auch andere Stoffe als Speichermedium als Wasser (zb Erdreich) Um hier eine Vergleichbarkeit zum Speichermedium Wasser herzustellen, beschreibt man die Speicherkapazität mit dem Volumen eines Wasserspeichers V sp, W Das Wasseräquivalent bezieht sich auf die mittlere Temperatur von flüssigem Wasser bei Umgebungsdruck (1,01 bar), dh einem Temperaturbereich von C Als Referenztemperatur wird daher der arithmetische Mittelwert von 50 C angenommen Mit Stoffdaten aus dem VDI Wärmeatlas ergibt sich daher ein Wert von (ρ c) Formel 1 ( ρ c) W = 988,05kg/ m 4,18kJ /( kgk) = 410,049kJ / m K Hierbei stehen ρ für die spezifische Dichte und c für die spezifische Wärmekapazität des Speicherstoffes von Wasser jeweils bei einer durchschnittlichen Temperatur von 50 C Analog zu Formel 1 kann das Produkt der beiden ermittelten Werte für jeden möglichen Speicherstoff berechnet werden zu (ρ c) Sp Das Wasseräquivalent V Sp, W berechnet sich gemäß Formel zu: W

4 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz 4 Formel Sp, W = VSp( ρc) Sp /( ρc V ) W 4 Konzept Die Idee hinter der im Folgenden beschriebenen Berechnungsvorschrift basiert auf einer eindimensionalen Wärmeverlustrechnung an allen Oberflächen des Speichers nach folgender Gleichung: Formel q& = (λ/ s) T Hierbei bezeichnet q& die Wärmestromdichte, λ die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Dämmmaterials, s die Dicke der aufgebrachten Dämmschicht und T die treibende Temperaturdifferenz zwischen dem Behälterinneren und der Umgebung 5 Vorgehen Der erste Schritt dieser Vorschrift sieht die Berechnung einer mittleren Dämmschichtdicke auf Basis einer jahresmittleren Speichertemperatur (Vernachlässigung des tatsächlichen Temperaturprofils) und einer jahresmittleren Umgebungstemperatur vor Auf Basis dieser mittleren Dämmschichtdicke wird mithilfe der Behälteroberfläche A ein Dämmvolumen V m, D berechnet Dieses kann variabel, je nach tatsächlichem Temperaturprofil innerhalb des Speichers, am gesamten Behälter verteilt werden Zur Ermittlung der mittleren Dämmschichtdicke smwird Formel umgestellt und führt zu folgender Berechnungsvorschrift: Formel 4 s m = ( λ / q& ) T Formel 5 V D, m = s m A Im folgenden Teil werden zu allen verwendeten Größen Definitionen geliefert Dabei wird auch detailliert auf die zugrundeliegenden Überlegungen eingegangen Es handelt sich bei den Größen um 1 Behälteroberfläche Dämmung Temperaturen

5 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz 5 6 Behälteroberfläche Ein Behälter hat drei Aufgaben: Tragen, Dichten und Schützen Aus dieser Überlegung heraus wird die Behälteroberfläche als die innere Hüllfläche des Speicherbehälters definiert Hierbei werden alle Unregelmäßigkeiten vernachlässigt, wie zb Rohre, Leitern, Stützgerüste, etc Diese Größe kann insbesondere aus der Bauzeichnung in der Planungsphase oder auch bei einer Begehung ermittelt und überprüft werden 7 Dämmung In der erarbeiteten Berechnungsvorschrift werden alle Wärmeübergänge, sowohl innen als auch außen, vernachlässigt Jede andere Annahme würde zu komplizierten und nicht eindeutig zu berechnenden Zuständen führen Dabei wäre beispielsweise allein an die Berücksichtigung der Anströmungsverhältnisse an der Speicheroberfläche zu denken Bei der Dämmung des Speichers wird ausschließlich die aufgebrachte Dämmschicht betrachtet Weitere Schichten, wie die eigentliche Behälterwandstärke (die zb im Falle eines Betonbehälters durchaus signifikant sein kann) oder zb Korrosionsschutzschichten werden in dieser Betrachtung nicht berücksichtigt Zur Bewertung der Dämmung ist darauf hinzuweisen, dass alle Dämmarbeiten gemäß Richtlinie VDI 055: : Wärme- und Kälteschutz für betriebs- und haustechnische Anlagen - Berechnungen, Gewährleistungen, Mess- und Prüfverfahren, Gütesicherung, Lieferbedingungen und DIN 4140:008-0: Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und in der technischen Gebäudeausrüstung - Ausführung von Wärme- und Kältedämmungen durchgeführt werden müssen Die Berechnung der Wärmeleitung erfolgt unter der Annahme eindimensionaler Wärmeleitung an einer ebenen Platte Diese Vereinfachung kann damit begründet werden, dass die Dämmschichtdicke im Vergleich viel kleiner als der Behälterradius ist Im Falle einer Bodenplattendämmung bei Flachbodenspeichern wird bei der Berechnung die Bodenplatte nicht berücksichtigt, dh die um die Bodenplatte angebrachte Dämmschichtdicke wird direkt auf die Behälteroberfläche projiziert (siehe Abbildung ) Behälter Dämmschicht Bodenplatte Abbildung : Projektion der Bodenplattendämmschicht projizierte Dämmschichtdicke der Bodenplatte

6 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz 6 Die Wärmeleitfähigkeit des Dämmmaterials wird bei der mittleren DämmschichttemperaturT D, m zwischen mittlerer Speicherbetriebstemperatur und Außentemperatur ermittelt Hierzu gelten die Angaben des VDI Wärmeatlas, Kapitel Dec Bei der Ausschäumung von Trapezblechen gilt die Dicke an der dünnsten Stelle, siehe Abbildung Trapezblech Dämmschicht Behälteroberfläche anzunehmende Dicke der Dämmschicht Abbildung : Anzunehmende Dämmschichtdicke bei Trapezverschalung 8 Temperaturen Die mittlere Jahresdurchschnittstemperatur T0der Klimazone Deutschland wird als 8, C angenommen Die mittlere Erdreichtemperatur TErdewird zu 10 C definiert (vgl FW 401 Teil Verlegung und Statik von Kunststoffmantelrohren (KMR) für Fernwärmenetze ) Die mittlere Speicherbetriebstemperatur T, berechnet sich als arithmetischer Mittelwert aus Spm höchster und niedrigster ausgelegter Betriebstemperatur, beträgt jedoch mindestens 50 C für Wärmespeicher = T )/ T Sp, m ( min + Tmax Die mittlere Dämmschichttemperatur T, berechnet sich als arithmetischer Mittelwert aus mittlerer Speicherbetriebstemperatur und mittlerer Jahresdurchschnittstemperatur T = ( T 0)/ D, m Sp, m + T Beispielrechnung Dm d i=5 m Wasser T Sp, m T 0 h i=15 m Stahlwand Korrosionsschutz PUR-Ortschaum Haftvermittler Blechmantel Bodenplatte Erdreich Abbildung 4: Verwendeter Wärmespeicher für die Beispielrechnung Quelle: Urbaneck, Kältespeicher

7 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz 7 Im folgenden Abschnitt wird beispielhaft das Vorgehen an einem Wärmespeicher vorgestellt Als Basis für diese Beispielrechnung dient der in Abbildung 4 dargestellte Wärmespeicher Hierbei handelt es sich um einen drucklos ausgeführten Warmwasserspeicher mit einer minimalen Speichertemperatur von 55 C und einer maximalen Speichertemperatur von 98 C Die Abmaße sind der Zeichnung zu entnehmen Der Behälter ist als zylindrische Stahlwandkonstruktion ausgeführt mit einer Dämmschicht aus PUR-Ortschaum 1 Schritt: Berechnung des Wasseräquivalents Da es sich bei dem hier berechneten Speicher um einen Warmwasserspeicher handelt, entspricht das tatsächliche Volumen auch dem Wasseräquivalent Das Volumen des Behälters beträgt: V Sp, W =π r h=,14 (1,5m) 15m= 76, 11m Schritt: Berechnung der mittleren Dämmschichtdicke Bei der Berechnung der mittleren Dämmschichtdicke sind die unterschiedlichen Temperaturdifferenzen zwischen Behälterinnerem und Außenluft bzw Erdreich zu berücksichtigen Hierzu geht man schrittweise jede Fläche des Behälters einzeln durch Die Bestimmung der mittleren Speicherbetriebstemperatur erfolgt mit: T, m Sp = T + T )/ = (55 C+ 98 C)/ = 76, 5 C ( min max Die mittlere jährliche Außentemperatur beträgt T = 8, C 0 Die mittlere Erdreichtemperatur T Erde beträgt 10 C (vgl FW 401 Teil Verlegung und Statik von Kunststoffmantelrohren (KMR) für Fernwärmenetze ) Für die Mantelfläche ergeben sich folgende Werte: Die Fläche der Mantelfläche beträgt: =π d h=,14 5m 15m 1177,5m A Mantel = Die treibende Temperaturdifferenz zwischen Behälterinnerem und Außentemperatur T 0 berechnet sich zu: T = T T = 76,5 C 8, C 68, K Mantel Sp, m 0 = Die Wärmeleitfähigkeit des PUR-Ortschaum beträgt bei der mittleren Dämmschichttemperatur von TD, m = ( TSp, m + T0)/ = 4, 5 C nach VDI-Wärmeatlas Abschnitt Dec λ 0,07W /( mk) Mantel =

8 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz 8 Mithilfe von Formel 4 errechnet sich, dass die mittlere Dämmschichtdicke an der Mantelfläche einen Grenzwert s m, Mantel überschreiten muss, um die geforderten 15W / m Speicherverluste zu unterschreiten sm, Mantel > ( λ Mantel / q& ) TMantel = (0,07W /( mk)/15w / m ) 68,K = 0, 168m Das erforderliche Dämmmaterialvolumen der Mantelfläche beträgt: V D, mmantel, > AMantel sm, Mantel = 1177,5m 0,168m= 197, 8m Für die Deckelfläche ergeben sich die folgenden Werte: Die Fläche des Speicherdeckels beträgt: =π r =,14 (1,5m) 490,65m A Deckel = Als treibende Temperaturdifferenz gelten dieselben Annahmen wie für die Mantelfläche, daher ergibt sich: T = T T = 76,5 C 8, C 68, K Deckel Sp, m 0 = Auch für die Wärmeleitfähigkeit des PUR-Ortschaum gelten die gleichen Bedingungen wie für den Mantel, daher gilt: λ 0,07W /( mk) Mantel = Der zu überschreitende Grenzwert für die mittlere Dämmschichtdicke errechnet sich analog der Mantelflächenberechnung zu: sm, Deckel > ( λdeckel / q& ) TDeckel = (0,07W /( mk)/15w / m ) 68,K = 0, 168m Daraus folgt für das Dämmmaterialvolumen am Deckel: V D, mdeckel, > ADeckel sm, Deckel =,65m 0,168m= 8, m Die Werte für den Boden berechnen sich wie folgt: Die Fläche des Bodens entspricht dem des Deckels, da hier die Bodenplatte nicht berücksichtigt wird, sondern nur der Behälterboden =π A Boden r =,14 (1,5m) = 490,65m Die treibende Temperaturdifferenz ist jetzt im Gegensatz zu den restlichen Oberflächen mit der mittleren Speichertemperatur und der mittleren Erdreichtemperatur zu bilden Daraus ergibt sich: T = T T = 76,5 C 10 C 66, K Boden Sp, m Erde = 5

9 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz 9 Mit demselben Wert der Wärmeleitfähigkeit des PUR-Ortschaums ergibt sich der zu überschreitende Grenzwert der mittleren Dämmschichtdicke am Boden zu: sm, Boden > ( λboden / q& ) TBoden = (0,07W /( mk)/15w / m ) 66,5K = 0, 164m Als Grenzwert des Dämmschichtvolumen am Boden berechnet sich: V D, mboden, > ABoden sm, Boden = 490,65m 0,164m= 80, 46m Für den Speicher gilt nun: Die mittlere Dämmschichtdicke ist in dem vorliegenden Fall trivial, da am gesamten Speicher derselbe Dämmstoff verwendet wurde und zusätzlich die Temperaturdifferenzen nahezu identisch waren Allgemein berechnet sich die zu überschreitende mittlere Dämmschichtdicke mit: sm, Sp >ΣVm, D / ΣA= (197,8+ 8,4+ 80,46) m /(1177,5+ 490, ,65) m = 0, 167m Da in einem realen Speicher die Temperatur des Speicherstoffes oben höher und unten niedriger ist, kann eine Optimierung der Dämmstoffverteilung sinnvoll sein Daher kann das errechnete Dämmschichtvolumen mit unterschiedlichen Dämmschichtdicken auf dem Behälter verteilt werden Dafür bietet sich eine dickere Dämmschicht auf dem Deckel des Behälters an und eine geringe Dämmschicht am Speicherboden Außerdem kann die Zylindermantelfläche des Speichers konisch von unten nach oben mit ansteigender Dämmschichtdicke ausgeführt werden Falls an der Bodenplatte aus konstruktiven oder statischen Gründen keine Dämmung im herkömmlichen Sinne, bzw nur mit hohem Aufwand, an- oder aufgebracht werden kann, so muss für die Wärmedämmung des Speicherbodens gegenüber der Umgebung eine geeignete Ersatzmaßnahme gewählt werden Mit einer solchen Ersatzmaßnahme müssen in Kombination mit Wand- und Deckenisolation, unter den oben aufgeführten Randbedingungen, die gesetzlich geforderten maximalen Wärmeverluste nachgewiesen und dargestellt werden In der Praxis müssen Dämmplatten ohnehin in der nächststärkeren Ausführung eingekauft werden, weshalb für eine ausreichende Wärmedämmung gesorgt ist 9 Besonderheiten bei Kältespeichern Beim Einsatz von (Kurzzeit)-Kältespeichern sind folgende abweichende Festlegungen im Vergleich zu Wärmespeichern zu beachten : Die mittlere Speichertemperatur ist o bei Speichern ohne Phasenwechsel die minimale Auslegungstemperatur, z B Kaltwasserspeicher mit 5 C, z B Speicher mit Wasser-Glykol mit -15 C, o bei Speichern mit Phasenwechsel die Phasenwechseltemperatur, Diese Betrachtung ist unabhängig von der Tauwasserproblematik bzw einer funktionalen Speicherhülle

10 Leitfaden zum Nachweis der Speichereffizienz 1 0 z B Eisspeicher mit 0 C, z B Speicher einem Paraffin mit - C, o bei Speichern mit anderen Effekten die minimale Betriebstemperatur, z B Speicher mit Zeolith (Adsorbenz) mit -10 C Die Außentemperatur wird in Abhängigkeit des Standortes gewählt, o bei Speichern im Außenbereich (z B oberirdische Tanks) 5 C, o bei Speichern in Gebäuden 0 C, o bei Speichern, die über 50 % zum Erdreich Kontakt haben (z B Speicher im Keller, vergrabene Speicher), mittlere Erdreichtemperatur von 10 C Basiert die Speicherwirkung nicht nur auf der Temperaturänderung ist die Speicherkapazität mithilfe des Wasseräquivalents zu ermitteln 10 Besonderheiten bei Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeichern Beide Speicherarten können im Einzelfall Wärme- bzw Kältespeicher isd Absatz 18 und Absatz 19 KWKG sein Dies setzt unter anderem voraus, dass es sich um technische Vorrichtungen zur zeitlich befristeten Speicherung von Nutzwärme bzw kälte handelt Von einer technischen Vorrichtung im vorgenannten Sinne ist insbesondere auszugehen, wenn Technik wie Rohrleitungen, Brunnen etc gebaut werden, um den Untergrund zur Wärmespeicherung erschließen zu können Die oben genannte Berechnungsvorschrift kann bei Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeichern nicht angewandt werden Für Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher kann die Einhaltung der Förderbedingung zb über eine dynamische Simulation des Speichers mit einschlägigen Simulationsprogrammen wie zb TRNSYS, Feflow, Ansys oder anderen CFD-Simulationsprogrammen nachgewiesen werden Hierbei sind die geplanten Speicherbetriebsweisen im Simulationsprogramm abzubilden und über eine thermische Berechnung der Nennbetriebsfälle die Einhaltung der maximalen Verluste des Speichers von 15 W/m² Behälteroberfläche nachzuweisen Anmerkung: In der Regel werden Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher zur Speicherung von Wärme und Kälte über längere Zeiträume von Wochen oder Monaten gebaut Die dabei entstehenden Wärmeverluste liegen in der Regel über dem Grenzwert des KWKG Bei angepassten Nutzungen des Speichers können jedoch Systeme entstehen, die die Förderbedingung einhalten, indem zb die Wärmeverluste des Speichers in den umgebenden Untergrund durch eine Wärmepumpe wieder rückgewonnen werden können Die Simulationen zum Nachweis der Einhaltung der Zulassungsbedingung müssen daher dann das technische System, in das der Speicher eingebunden ist, umfassen In der Praxis tritt der Phasenwechsel in einem Temperaturbereich auf Dann ist die mittlere Temperatur des Schmelzbereiches zu verwenden

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