Paul Gantenbein Institute für Solartechnik SPF Hochschhule für Technik Rapperswil.

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1 Innovatives Netzmanagement als neue Aufgabe energie-cluster, 29. Oktober, Bern Thermische Speichermöglichkeiten Grundlagen, Anforderungen, Auslegung, Bewertung von bestehenden Systemen sowie Entwicklungen Paul Gantenbein Institute für Solartechnik SPF Hochschhule für Technik Rapperswil.

2 Bedeutung Speicherung von thermischer Energie - Die Zeit für fossile Energien und AKW läuft in der Schweiz ab. Steigende Effizienz und Investitionen in erneuerbare Energien sollen die Wende anschieben 1. - Für eine Zukunft mit erneuerbarer Energie sind Speicher notwendig 2. 1 NZZ am Sonntag 6. Oktober Jenni leistet Pionierarbeit mit dem Solartank 2

3 Anforderungen Speicher überbrücken Angebots- und Nachfrageschwankungen Speicher können Preisschwankungen dämpfen Speichereigeschaften - Parameter: Nutztemperatur T Leistung P Kapazität / Energie Q Speichermaterial c p, h v Platzbedarf / Volumen V Kosten CHF Speicher 3

4 Bedarf Angebot und Nachfrage Bedarf im Gebäude (Beispiel) (kwh/m 2 *a) Vergleich: Wasser Q/V=1.16 kwh/m 3 *K Beton Q/V=0.55 kwh/m 3 *K Luft Q/V=3.6*10-4 kwh/m 3 *K Quelle: Minergie Standard 5

5 Bedarf Angebot und Nachfrage Bedarf im Gebäude (Beispiel) (kwh/m 2 *a) Quelle: Minergie Standard Vergleich: Wasser Q/V=1.16 kwh/m 3 *K Luft Q/V=3.6*10-4 kwh/m 3 *K Buche Q/V=0.39 kwh/m 3 *K 6

6 Bedarf, Nutzung Energiebedarf Standort abhängig Number of Hours in the Year [-] Temperature dirstribution T wet bulb & T amb dry of Rapperswil T wet bulb distribution T amb distribution Heating Ventilation Cooling Wet Bulb Temperature T wet bulb & Ambient Temperature T amb [ C] Daten: METEOTEST 7

7 Bedarf Angebot und Nachfrage Profil für Heisswasserbedarf Täglicher Warmwasserverbrauch (55 C) Durchschnitt Zielwert Pro Person im Haushalt 45 l/d 30 l/d Pro Sitzplatz in einem gut belegten Café Pro Bett in einem einfachen Hotel Pro Menü in einem Speiserestaurant 35 l/d 20 l/d 60 l/d 40 l/d 11 l/d 8 l/d Speichergrösse EFH (4Personen) (Kaltwasser mit ca C) 10

8 Bedarf Angebot und Nachfrage Profil für Heisswasserbedarf Verschiebung zur Solarstrahlung Gh - global horizontal irradiance in W/m2 Ta - ambient temperature in C global horizontal irradiance Gh [W/m2] ambient temperature Tamb [ C] hour of the year [-] use in %/day user profile [%/day] (334l/day) hour of the day 11

9 Speicherbeladung Temperaturverlauf im Speicher bei der Beladung - Temperaturverlauf in Funktion der Zeit am Beispiel eines Heisswasserspeichers (sensibler Speicher) 14

10 Speicherverluste Mess- & Simulationsergebnisse Vergleich Temperaturverlauf T(t) im Heisswasserspeicher - Verluste 80 T(t) Messung Temperatur T ( C) Temperatur T ( C) h 3.00 h 6.00 h 9.00 h h h T(06) T(01) T_sp3[ C] T_sp2[ C] T(02) T(07) T_sp1[ C] h h Speicher 3: Unterste Schicht [ C] Speicher 3: Schicht 4 [ C] Speicher 3: Schicht 8 [ C] Speicher 3: Oberste Schicht [ C] 0.00 h 3.00 h 6.00 h 9.00 h h h h h 0.00 h 3.00 h 6.00 h Tageszeit (hh.mm) Speicher 3: Schicht 2 [ C] Speicher 3: Schicht 6 [ C] Speicher 3: Schicht 10 [ C] Temperaturverlauf über 4 Tage der einzelnen Schichten im Warmwasser-Speichers h h h h h 0.00 h 3.00 h 6.00 h 9.00 h h h h h 0.00 h T_sp1 T(07) T(02) T_sp2 T_sp3 T(01) T(06) T(t) Simulation Oberste Schicht Schicht 10 Schicht 8 Schicht 6 Schicht 4 Schicht 2 Unterste Schicht 16

11 Bewertung - Exergie und Anergie Exergie eines Wasserspeichers WW eeee = UU UU 0 TT 0 SS SS 0 + pp VV VV 0 UU = UU 0 + mm cc pp TT TT 0 WWWWWWWWWWWW SS = SS 0 + mm cc pp llll TT TT 0 WWWWWWWWWWWW WW eeee = VV SSSSSSSSSSSSSS mm cc pp TT TT llll TT VV 0 dddd = AA ddd T= ff(h) TT 0 WWWWWWWWWWWW T(h) Wex = A m(t(h))*c p(t(h)) T(h) T 0 * 1+ ln( ) dh T h 0 Wassser F. Dammel et al. Exergy Analysis of a Water Heat Storage Tank. dddd U innere Energie S Entropie m Wassermenge C p spez. Wärmekapazität T 0 Umgebungstemperatur T Temperatur 17

12 Konzepte - Entwicklung Wasserspeicher - Wärmeübertrager W. Logie, ISES (2011) Raleigh-Zahl (Ra) : Auftrieb durch V(T) Nusselt-Zahl (Nu): Wärmeübergang 18

13 Konzepte - Entwicklung Wasserspeicher Geometrie des Wärmeübertragers W. Logie et al, OTTI (2012) 19

14 Langzeitspeicher Saisonspeicher (sensibel) 2 Gebäude; 16 Wohnungen (8xA=115m 2, 8xA=130m 2 ; je A(Koll)=160m 2 & je Wasserspeicher Volumen V=108m NaOH-H 2 O - combined component 3 (H=10m; D=3.75m; Leergw. 9400kg) with A/D & E/C units Zusatzkosten 25kCHF 20

15 Langzeitspeicher Warmwasser Saisonspeicher 8 NaOH-H Wohnungen; 2 O - combined Wasserspeicher component Volumen with A/D V=200m & E/C 3 units 21

16 Forschung & Entwicklung Speicherart Speichermaterialien - Konzepte A. Abhat: Solar Energy 30 p. 313 (1983) Sensible Energie Latente Energie Chemische Energie Änderung der Temperatur «C p (T)» Änderung des Aggregatzustandes «h v (T)» Änderung der chemischen Struktur / Bindungsenergie «h A ( )» 24

17 Entwicklung - Materialien Energiedichte der Speichermaterialien Volumenreduktion Gebäudekosten in CH ca. CHF 800.-/m 3 Sensible Latent - z.b. Wasser - z.b. PCM, Parafine Quelle: BINE(D) Quelle: J. v. Berkel (NL) 25

18 Forschung: EU Projekt COMTES Sorption Absorption (NaOH-H 2 O). COMTES EU finanziert Partner: SPF, EMPA Dübendorf & Kingspan Nord Irland Vakuum Wasser NaOH & Wasser Kollektorfeld E/C Wasserdampf A/D Umgebung E/C Einheit A/D Einheit Bodenheizung (Gebäude) 29

19 Forschung: EU Projekt COMTES Konzept von flüssig absorptions thermischer Energiespeicher: Saisonale Energiespeicherung - geringe Verluste - hoche volumetrischer Energiedichte Prinzip der thermisch getriebenen Wärmepumpe: - Laden: 30

20 Forschung: EU Projekt COMTES Konzept von flüssig absorptions thermischer Energiespeicher: Saisonale Energiespeicherung - geringe Verluste - hoche volumetrischer Energiedichte Prinzip der thermisch getriebenen Wärmepumpe: - Entladen: 31

21 Forschung: Sorptionsspeicher Entwicklung der Absorptions-/Desorptionszone verdünnte Lauge Rohrbündelwärme- und -Stoffaustauscher: Grosse Kontaktoberfläche Gas-Flüssig Gegenstrom Konzept Hohe Wärme- und Stoffübertragung Kompakte Bauform Wasserdampf Rezirkulation Recirkulation Passende Technologie für der Desorber, Kondenser, Verdampfer und Absorber Vereinfachtes Design, tiefe Kosten konzentrierte Lauge M. Habert. J. R. Thome (EPFL) 32

22 Forschung: Sorptionsspeicher Entwicklung der Absorptions-/Desorptionszone a) Manifold Optimierung: Sodium lye optimized manifold b) View under the nozzles for two manifold versions Messung der benetzten Oberfläche: 100% Wet surface fraction [-] 90% 80% 70% 60% 50% 40% 18th_avg 10th_avg 6th_avg Log. (18th_avg) Log. (10th_avg) 30% NaOH-H 2 O - combined component with A/D & E/C units Input mass flow rate [l/h] 33

23 Forschung: Sorptionsspeicher Entwicklung der Absorptions-/Desorptionszone Rohrbündelwärme- und Stoffaustauscher im Vakuum A/D unit (falling film tube bundle) E/C unit (falling film tube bundle) NaOH-H 2 O - combined component with A/D & E/C units 34

24 Combined development of compact thermal energy technologies Speicherung thermischer Energie ist wichtig diese leistet einen Betrag zur Energiestrategie 2050 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Paul Gantenbein - T. +41 (0)