Latentwärmespeicher - Niedertemperatur Überblick über die Materialklassen und Potentialabschätzung

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1 Latentwärmespeicher - Niedertemperatur Überblick über die Materialklassen und Potentialabschätzung Dr.-Ing. Peter Schossig Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Expertenworkshop Thermische Speicher Berlin, 28. Juni Fraunhofer ISE

2 Thermische Speicher: Technologien Fraunhofer ISE

3 Vergleich sensibel- latent Speicher 0 C -> 0 C = 333J/g ~ 0 C -> 80 C = 335J/g Temperatur T T m sensibel aber: für die meisten Phasenwechselmaterialien (PCM) sensible Wärmekapazität < Wasser latent Wärme Q sensibel klassisch PCM Fraunhofer ISE

4 Materialklassen Quelle: Bine_TI_0I09 Fraunhofer ISE

5 Anwendungen Baustoffe? Gebäudetechnik-Speicher PCM Wasser Fraunhofer ISE

6 Baustoffe Stand der Technik Beide Materialklassen vertreten Mikroverkapselte Paraffine Makroverkapselte Paraffine und Salze Passiv schon etliche Demogebäude Aktive Bauteile noch eher am Anfang Quelle: National Gypsym Quelle: H+H Celcon Quelle: Lehmkontor Quelle: Dörken Fraunhofer ISE

7 Baustoffe Stand der Forschung Neue Materialien (tieferschmelzende Salze, Keimbildner) Mikroverkapselung von Salzen Mesoverkapselung Core Material, Salt hydrate & Polymer First Thin Coating Second Thick Coating Makroverkapselung, Kompoundierung Bei Aktiven: Systemkonzepte, Regelung PCM Paraffin Salzhydrat Trägerstruktur Polymer- [mm] Beschichtung modifiziertes Baumaterial Quelle: ZAE Quelle: Capzo Fraunhofer ISE

8 Baustoffe Problemfelder Kosten Demonstrationsvorhaben nicht ausreichend fehlende tools fehlende Standards und Bewertungsverfahren Berücksichtigung in Gesetzen und Förderprogrammen fehlende Kenntnis der Planer und Architekten VDI 2164 Latentspeichersysteme Fraunhofer ISE

9 Baustoffe Forschungsbedarf/Handlungsbedarf Materialforschung (neue Salze, Unterkühlung) Verkapselung, Kompoundierung Systemenwicklung, Regelung Demovorhaben Aber auch bei den weichen Themen Tools Standardisierung, Normung, Richtlinien Schulungen Fraunhofer ISE

10 Gebäudetechnik - Speicherkonzepte PCM PCM Wasser Wasser Paraffin BASF Quelle: TU-Graz/BASF/ISE Fraunhofer ISE

11 Gebäudetechnikspeicher Stand der Technik Beide Materialklassen vertreten alle 3 Speicherkonzepte vertreten sowohl in luftführenden als auch in wasserführenden Systemen bisher eher Nischenmärkte Quelle: Schneider Quelle: Monodraught Quelle: Powertank Fraunhofer ISE

12 Zentral vs. Dezentral Luftklappe PCM-Modul Wärmetauscher Ventilator Fraunhofer ISE

13 Dual Use Vorwärmen und Vorkühlen Fraunhofer ISE

14 Demoprojekt Neubau Land- und Amtsgericht Düsseldorf Fraunhofer ISE

15 Stand Demoprojekt Speicher mit ca. 13 T PCM eingebracht 2-3 Jahre Monitoring Parallel Optimierung und Weiterentwicklung Quelle: AGN Fraunhofer ISE

16 PCM Fluide Paraffine oder Eisbrei werden z.b. als Emulsionen oder verkapselt transportiert deutlich erhöhtes Speichervermögen (Faktor 2-4), dadurch kleinere Speicher möglich geringere Verluste durch isotherme Speicherung geringere Pumpenenergie, da geringere Massenströme nachrüstbar hohe Be- /Entladeleistungen durch Wärmetauscherfläche erreichbar höhere Viskosität Langzeitstabilität noch zu verbessern Fraunhofer ISE

17 PCM Fluide Technische Anforderungen Hohe Scherstabilität Colloidale Stabilität Geringe Viskosität < 60 mpa s Geringe Unterkühlung 500/s / [mpa s] Viscosity vs. Ethylene Glycol 30% S.C Ethylene Glycol / wt. % (with resp. to dispersion) Hängt ab von: Kapselgröße PCM Keimbildner Fraunhofer ISE Quelle: BASF

18 Potential PCS Wasser, 5 m³ Speicher bei verschiedenen Enthalpien des PCS bisher nicht in jedem Temperaturbereich machbar technisch anspruchsvoll ökonomisch noch schwer zu realisieren ev. zuerst Anwendungen im Bereich Maschinen und Elektronikkühlung Speicherinhalt [kwh] Arbeitsbereich 6 K Wasser PCS PCS/Wasser 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 relative Speicherdichte [-] Speicherdichte [kj/kg] 0 Fraunhofer ISE

19 Vergleich Speicherdichte Wasser-PCS Engergiedichtevergleich storable heat - factor Faktor water zu [-] Wasser 20 30% 150 kj/kg 18 35% 150 kj/kg 16 40% 150 kj/kg 14 50% 150 kj/kg Temperaturspreizung melting range [K] Fraunhofer ISE

20 Erste Anwendungen PCM Fluide Auch zentral und dezentral machbar Wärmespeicher und Wärmetransferfluid noch viel Materialforschung notwendig erste Demonstrationsvorhaben Fraunhofer ISE

21 Speicher auf der Quellenseite einer Wärmepumpe erste Produkte mit Eis auf dem Markt auch bei höheren Temperaturen denkbar profitiert von PCM spezifischen Vorteilen und kann ev. die Nachteile ausgleichen Quelle: Consolar Fraunhofer ISE

22 Speicher für den Transport sensibler Güter Da Kosten bei PCM Systemen oft hoch, Markteintritt im Bereichen hoher Wertschöpfung -> Transport sensibler Güter ev. Neues Feld: e-mobility Fraunhofer ISE

23 Gebäudetechnikspeicher Forschungsbedarf Materialforschung - z.b. neue Salze, Unterkühlung - Höhere Temperaturen für Prozesswärme Verkapselung, Kompoundierung ( Wärmeleitfähigkeit) Komponentenentwicklung (z.b. Wärmetauscher) Systemenwicklung, Regelung nichttechnische Probleme: Kosten (z.b. über Economies of scale ) Standardisierung, Richtlinien Fraunhofer ISE

24 Zusammenfassung Effizientere Wärmespeicherung mit PCM benötigt weitere Forschung in allen Bereichen, von Materialforschung Komponentenentwicklung Systementwicklung/optimierung -> Speicherforschung sehr interfakultär Für den Markteintritt wesentlich erwiesene Stabilität und Preis Wichtig auch Standardisierung und Schulung Ökonomisch vorteilhaft hohe Zyklenzahl Diese auch wichtig aus primärenergetischer Sicht (Life cycle analysis) Fraunhofer ISE

25 Danke für ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer ISE

26 BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGEWANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V. Überblick über die Materialklassen und Potentialabschätzung - Hochtemperatur PTJ-/DFG-Workshop am 28./ "Thermische Speicher: Potentiale und Grenzen der Steigerung der Energiespeicherdichten" Dr. Harald Mehling ZAE Bayern Am Hubland, Würzburg mehling@zae.uni-wuerzburg.de

27 Gliederung Einleitung Anforderungen bei der Steigerung der Speicherdichte Potential bei der Steigerung der Speicherdichte sowie techn. / physikalische Grenzen Schlussfolgerungen F&E Ziele für die Zukunft Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v.

28 Einleitung Anwendungen bei 100 C und höher: Industrielle Prozesswärme Kraftwerkstechnik Wasser als Wärmespeichermedium Prinzipielle Optionen zur Wärmespeicherung Speicherung sensibler Wärme: 0 Feststoffe: Gestein, Temperatur / C Flüssigkeiten: Druckwasserspeicher bis etwa 200 C, Öle und Salze bis etwa 400 C Phasenwechsel flüssig-dampfförmig h=40,7kj/mol=2257kj/kg bei 100 C sinkt auf 0 bei T krit Phasenwechsel fest-flüssig Chemische Reaktionen Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v p(bar) cp / kj/kgk hv / kj/kg 3

29 Anforderungen bei der Steigerung der Speicherdichte Anforderungen an Latentwärmespeichermaterialien: Physikalisch, d.h. bzgl. Wärmespeicherung Passende Phasenübergangstemperatur, geringe Unterkühlung Hohe Schmelzenthalpie (Speicherdichte) Zyklenstabilität (Anzahl der Speichervorgänge) Hohe Wärmeleitfähigkeit Im Bereich Prozesswärme und Technisch, d.h. bzgl. Bau eines Speichers Kraftwerkstechnik ist Platz an Niedriger Dampfdruck sich meist kein Problem, sondern die Kosten des Kleine Volumenänderung Speicherbehälters, Chemische Stabilität Speicherdichte ist kein Kompatibilität mit anderen Materialien eigenständiges Kriterium Wirtschaftlich, d.h. bzgl. realer Umsetzung Niedriger Preis Rezyklierbarkeit Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v.

30 Anforderungen bei der Steigerung der Speicherdichte Anforderungen unter Berücksichtigung der Umsetzung Material: h(t) λ(t) Speicherdesign und Konstruktion: Konzepte: Wärmeübertrager, Direktkontakt, Speichermodule Leistungsanforderung Speicherdichte Volumenanteil des Speichermaterials im Speicher Randbedingungen der Anwendung: Obere und untere Temperatur, Temperaturdifferenz Wärmeträgerfluid Gas, z.b. Luft Flüssigkeit, z.b. Wasser, Öl, Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. 5

31 Potential bei der Steigerung der Speicherdichte techn. / physikalische Grenzen Erforschte und größtenteils bereits eingesetzte Materialklassen: Karbonate Fluoride Chloride Schmelzenergie [kj/l] 600 Hydroxide 500 Salzhydrate Nitrate Ölspeicher (c p =2kJ/LK) mit 400 T=200K 0,1 kwh/l Wasser ZuckeralkoholeDruckwasserspeicher Salzlösungen (c p =4,5kJ/LK) mit ZAE Bayern 300 wässrige 200 Paraffine T=40K Fettsäuren 100 Chlatrate T=20K Schmelztemperatur [ C] Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. weitere Materialklassen: Polymere, Möglichkeit der Formstabilität Metalle 6

32 Potential bei der Steigerung der Speicherdichte Techn. / physikalische Grenzen 2600 Ge 4066kJ/L 2400 Si ,5 kwh/l theoretische Grenze? Cu 7,20 /kg=65 /L Fe Karbonate 2,40 /kg=6,48 /L, bei hoher Speicherdichte und Wärmeleitfähigkeit! Al Fluoride Schmelzenergie [kj/l] Wasser 300 wässrige Salzlösungen Salzhydrate Paraffine Fettsäuren Chlatrate Zuckeralkohole Hydroxide Nitrate Chloride ZAE Bayern 0,1 kwh/l Schmelztemperatur [ C] Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v

33 Potential bei der Steigerung der Speicherdichte Techn. / physikalische Grenzen Ansatz zur Berechnung der theoretischen Grenze: G = H T S im Phasengleichgewicht fest - flüssig gilt T = konst daher folgt G = H T S weiterhin ΔG = 0.Somit folgt für p = konst. dass H = Q = T S Bekannte Werte (molare Größen!): 1 R T Q Smp Q 3 R T Q 1,5 R T Smp 4,5 R T Smp Smp für Halbleiter für Salze; Alefeld für Metalle; Regel von Richardson Herleitung aus atomaren Größen H = Änderung der Bindungsenergien ΔS =?, aber notwendig zur Berechnung von T Smp Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v.

34 Potential bei der Steigerung der Speicherdichte Techn. / physikalische Grenzen Problem: Der Zustand der flüssigen Phase ist schwer zu beschreiben Fazit: 1. Aufgrund der unterschiedlichen Regeln für jede Materialklasse ist damit zu rechnen, dass keine allgemeine sondern eher für jede Materialklasse typische Grenzen existieren 2. Diese Grenzen sind nur schwer zu berechnen Andererseits 3. Hohe Speicherdichten sind bereits nachgewiesen 4. Die Möglichkeiten scheinen bei weitem nicht ausgeschöpft Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v.

35 Potential bei der Steigerung der Speicherdichte Techn. / physikalische Grenzen 2600 Ge 4066kJ/L 2400 Si Heute eingesetzt: 142 C 222 C Karbonate Al Fluoride Cu 7,20 /kg=65 /L Fe Wir nutzen heute Materialien die seit etwa 30Jahren bekannt sind! 2,40 /kg=6,48 /L, bei hoher Speicherdichte und Wärmeleitfähigkeit! Schmelzenergie [kj/l] Wasser 300 wässrige Salzlösungen Salzhydrate Paraffine Fettsäuren Chlatrate Zuckeralkohole Hydroxide Nitrate Chloride ZAE Bayern 0,1 kwh/l Schmelztemperatur [ C] Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. 10

36 Schlussfolgerungen Bereits heute sind Materialien bekannt die die heute eingesetzten Speichermaterialien bezüglich der Speicherdichte weit übertreffen. Speichermaterialien müssen jedoch einer Vielfalt von Anforderungen gerecht werden. Diese sind meist nicht fix, sondern abhängig von Speicherkonzept, -auslegung und Betriebsweise. Im Gegensatz zu Anwendungen z.b. im Gebäude sind diese im Bereich der Prozesswärme und Kraftwerkstechnik nicht allgemein bekannt! Eine zielgerichtete Entwicklung optimierter Speichermaterialien muss daher Kompetenz in allen Anforderungsfeldern beinhalten: Anwendung, System Speicher Materialentwicklung und Materialcharakterisierung zu allen Randbedingungen Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v.

37 F&E Ziele für die Zukunft 1. Definition der Anforderungen potenzielle Anwendungen Temperaturbereich (bis über 1500 C?) Wärmeträgerfluid Leistungsbedarf und Profil, Betriebsweise 2. Materialforschung Grundlegendes Verständnis atomarer Vorgänge Verlässliche Materialdaten zu c p, h(t), λ, ρ sowie zu allen anderen wichtigen Anforderungen Messmethoden und Messtechnik Systematische Untersuchung der in Frage kommenden Materialklassen Entwicklung optimierter Materialien Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v.

38 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v.

39 Latentwärmespeicher (PCM) Einsatzmöglichkeiten und Grenzen im Hochtemperaturbereich Rainer Tamme DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Technische Thermodynamik Folie 1 PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

40 Angewandte Forschung zu Thermischen Speichern im DLR ITT- Abteilung Thermische Prozesstechnik Personal und Ressourcen 32 + (3) Mitarbeiter/Innen, davon 7 Doktoranden/Innen Mittel 2010: etwa 4.0 Mio, davon ca. 50 % Drittmittel Ausrichtung auf Wärmespeicher und thermische Umwandlungsprozesse für Hochtemperaturanwendungen T> 120 C Folie 2 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

41 DLR Kompetenz im Bereich PCM Speicher Salzhydrate für C Glaubersalz, NaAc 3 H2O; Ba(OH)2 8H2O Direktkontaktverfahren mit Thermoöl Salz/Keramik C Formstabile Hybridmaterialien Na2SO4/SiO2, Na2SO4/MgO, BaSO4/MgO Salzsysteme C für Prozesswärme und Kraftwerkstechnik Alkali-Erdalkali-Nitrate Rippenrohrkonzept für ein- und mehrphasige Wärmeträgerfluide Folie 3 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

42 Hochtemperatur Speicher im Industriebereich 100 C < T < 400 C Wärmeträgerfluid Öl oder Dampf Lebensmittelherstellung Erzeugung von Baustoffen Porenbeton, Kalksandstein Papier und Pappeherstellung Textile Industrie Trocknungsprozesse T > 400 C Gasförmiges Wärmeträgerfluid Chemische Grundstoffindustrie Metallurgie Gießerei Keramik Herstellung Glasserzeugung Folie 4 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

43 Hochtemperatur Speicher für Kraftwerkstechnik Wärmespeicher für solarthermische Kraftwerke Solarkollekt oren Speichersystem Dampfkreislauf Erhöhung der Flexibilität Spitzenlastbereitstellung Wärmespeicher für dezentrale KWK Anlagen Folie 5 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

44 Hochtemperatur Speicher für KWK Anlagen Wärmeverbraucher Variable Leistung Variable Zeit Variable Temperatur Entkopplung von Strom und Wärmeerzeugung Wärmebereitstellung auf unterschiedlichem Leistungs-, Zeit- und Temperaturniveau Folie 6 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

45 Latentwärmespeicher für den Hochtemperaturbereich Herausforderung für effiziente und wirtschaftliche PCM Speicher Anwendungsbereich umfasst großen Temperaturbereich C effiziente Speicherung erfordert Abwärmenutzung bis auf niedrige Temperatur Lösungen für unterschiedliche Wärmeträgermedien entwickeln Phasenwechseltemperatur muss an die spezifische Temperaturniveau angepasst sein, viele PCM s notwendig Lade- bzw. Entladeleistung des PCM Speichers ist wesentlich kontrolliert durch Wärnetransport im Speichermaterial, PCM s haben unzureichende Wärmeleitfähigkeit Große Temperaturgradienten im Fluid können nicht mit 1 PCM abgearbeitet werden Latentspeicherkaskade oder neue Medien mit Schmelzbereich Folie 7 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

46 Nitratsalze als PCM s für C Präferenz für PCM in Verbindung mit Wasser/Dampf Systemen LiNO temperature solid phase two phase solid / liquid liquid phase Enthalpy [J/g] KNO 3 -LiNO 3 KNO 3 -NaNO 2 -NaNO 3 LiNO 3 -NaNO 3 NaNO 2 KNO 3 -NaNO 3 NaNO 3 KNO 3 spec. enthalpy 50 Industrielle Prozess Wärme Temperature [ C] Kraftwerkstechnik Folie 8 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

47 Neue Ansätze für Speichermedien Schmelzbereich-Speicher durch Kombination von sensiblen und Latentspeicher für Anwendungen mit großem Δ T Beispiel: KNO 3 -NaNO 3 -Mischung mit 30 Gew.-% KNO 3 (Schmelzbereich zwischen 220 und 260 C) Energiedichte gegenüber rein sensibel bzw. Latent ca. 50 % erhöht Folie 9 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

48 Lösungsansätze für PCM s mit hoher Wärmeleitfähigkeit PCM PCM Hülle Mikroverkapselung PCM Verbundmaterial hier: Graphit Wärmeträger Rippenrohr Konzept mit Graphit oder Metall Elementen effektive WLF > 10 W/ mk Folie 10 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

49 Fallbeispiel 1: Speicherung von Prozessdampf in der Baustoffindustrie Herstellung von Porenbeton / Kalksandstein Hydrothermale Härtung in Autoklaven unter Dampfatmosphäre Produktion Deutschland: Porenbeton ca. 3,5 Mio. m³ Kalksandstein ca. 6 Mio. t Folie 11 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

50 PCM Speicher für Industrieprozesse: Industrielle Demonstration - Niederdruckdampf ProsperPLUS gefördert durch BMWi Folie 12 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

51 PCM Speicher für Kraftwerkstechnik Pilotspeicher - Hochdruckdampf kg PCM NaNO3 Tm = 305 C Carboneras, Spain PCM: NaNO 3 Tm: 305 C Salzmasse: 14 t Gesamtvolumen: 8,4 m³ Al-Wärmeleitstruktur Nenndruck: 100/80 bar Lade-/ Entladeleistung: 500 kw Thermische Kapazität: 700 kwh IBN: Mai 2010 ITES gefördert durch BMU ITES PCM Speicher Carboneras, Spanien Folie 13 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

52 Fallbeispiel 1: Speicherung für Solarkraftwerk mit Direktverdampfung Speichersystem Dampfkreislauf Solarkollektoren 37% Heat transfer Increasing elements Fins Wärmeträgerfluid Wasser/Dampf PCM Speicher Basis NaNO3 Inv. Kosten ~ 100 /kwh 18% Heat exchanger Tube register 18% Isolation Foundation Header Containment 27% TES Material Salt Folie 14 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

53 Zielsetzung PCM (Thermische) Speicher Kernziel heißt Kostensenkung Aktuelle Investitionskosten ca /kwh Mittelfristiges Ziel < 100 /kwh Langfristiges Ziel /kwh Folgerungen für Anwendung - Hochwertige (HT) Abwärme - Verlauf von Leistung oder Temperatur diskontinuierlich - hoher Energiekostenanteil - Prozess mit häufigen Anwendungen - Prozess mit hoher Anzahl an jährlichen Betriebsstunden Folgerungen für PCM Speicher: Speichermedien mit hoher Energiedichte und hervorragenden thermo-physikalischen Eigenschaften; Neue Materialkonzepte: Mikroverkapselung, Hybridmaterialien, PCM Slurries Aufwand für Wärmeübertragung reduzieren Verbesserung Wärmetransport, Direktkontaktverfahren Effiziente Speicherintegration Folie 15 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

54 Zusammenfassung I Großes Potential für Einsatz Thermischer Speicher im HT Bereich Präferenz für PCM Speicher in Verbindung mit zweiphasigen Wärmeträgermedien: Prozessdampf Stromerzeugung mit ORC oder Dampfturbine Für Anwendungen im Bereich Stahlerzeugung und Zementproduktion sind neue Ansätze gefordert Für solarthermische Anwendungen sind thermische Speicher eine Schlüsselkomponente Eisen- und Stahlindustrie Chemieindustrie Zementproduktion Keramikherstellung Baustoffe Drei Sektoren erzeugen > 70 % CO 2 -Emissionen in 2005 Folie 16 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

55 Zusammenfassung II Zu hohe Kosten stehen breiter Markteinführung von PCM Speichern entgegen Überwinden durch: - kostengünstige, verbesserte Materialien weniger Materialeinsatz bessere Wärmeein-/Auskopplung, verbesserte Fertigungstechnik Beispiele: a magic PCM system Schmelztemperatur kann breiten Temperaturbereich (>100 C) abdecken bzw. eingestellt werden PCM` mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit > 20 W/m K Dotierung von Salzen, Verbundmaterialien, Wärmeleitstrukturen HT PCM Speicher ohne Wärmetauscherstrukturen Direktkontakt Wärmeübertrager, Makroverkapselung Wärmeträgerfluide mit Speicherfunktion / PCM Slurries > 100 C Folie 17 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

56 Zusammenfassung III Ausrichtung künftiger Forschung Entwicklung verbesserter PCM Materialien mit Potential auf Kostensenkung Entwicklung verbesserte Verfahrenstechnik für Wärmeeinkopplung/Auskopplung Speicherintegration durch Pilotanwendungen verbessern Für Schlüsselanwendungen PCM Speichereinsatz demonstrieren - Eisen/Stahl Industrie - Zement/Baustoff Industrie - Chemische Industrie - KWK Anwendungen - Solarthermische Prozesswärme und Stromerzeugung Folie 18 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

57 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Folie 19 < Rainer Tamme PCM Speicher > PTJ-DFG WS Thermische Speicher, Berlin 2010

58 Workshop Thermische Speicher Beitrag BASF SE Verbundprojekt-Partner: Gefördert durch: Organisation: Ein Forschungsbereich von: Dipl. Ing. (FH) Marco Schmidt BASF SE, E-EDK/BP

59 Potentialabschätzung für passive Gebäudekühlung mittels PCM Passive Kühlung auf dem passiven Kühlmarkt - Das Marktpotential für passive Kühlung in bestehenden Bürogebäuden beträgt im Jahr ,2 GWh (~ 940kt Micronal PCM) - Das durchschnittliche Wachstum für passive Kühlung beträgt 2,5 % p.a. und liegt deutlich unter dem der aktiven Kühlung (3,75 % p. a.) - Im Jahr 2015 beträgt das Marktpotential 34,8 GWh Zuwachs i.h.v. 3,6 GWh ~ 1050 kt Micronal PCM

60 Potentialabschätzung für PCM unterstützte Gebäudekühlung Passive Kühlung auf dem aktiven Kühlmarkt - Das Marktpotential für aktive Kühlung beträgt im Jahr ,6 GWh und im Jahr ,8 GWh Zuwachs 30,2 GWh (~ 920 kt Micronal PCM) - Der Zuwachs an aktiver Kühlung ( ) besitzt dieselbe Größenordung wie der gesamte Kühlbedarf des bestehenden Marktes für passive Kühlung im Jahr 2009 Micronal PCM als Unterstützung von Klimaanlagen

61 Stand der Vermarktung mikroverkapselter PCM MDF-Platten Spanplatten Beschichtungen auf 2K-Basis

62 Auszug realisierter Gebäude mit Micronal PCM Technologie

63 Software Tool für Planer: PCMexpress Dyn. Gebäudesimulation zur Berechnung des PCM Effekts

64 Holzleichtbau mit / ohne PCM Tagesgang im Sommer 26. Juli Temperatur konstanter um 23 C R1 Dachraum Südausrichtung 28,3 C dt = 8,5 C - 3,5C T max dt = 3,8 C 25,0 C

65 Vergleich Kalksandstein + WDVS gegen PCM PCM Bauweise stellt vergleichbares Klima zu massivem Aufbau dar Dachraum 8. August

66 PCM direkt integriert in Baustoffen beeinflusst den dynamischen U-Wert Temperature cycles outside only λ delayed resulting indoor temp. Derzeit keine Möglichkeit diesen Effekt in Ansatz zu bringen λ+δh

67 Anwendung zur Heizungsunterstützung Speichern erfolgt dezentral! Micronal PCM im Estrich 100m² = ca kWh mehr Speichert bei Arbeitstemperatur Verbessert die Nutzung aller regenerativer Wärmequellen Mehr Effizienz im Winter Systemintegrator fehlt +10kWh bei 26 C Förderrichtung?!

68 Sommerlicher Wärmeschutz Abschätzung nach DIN (7/2003) Leichte Bauart: C wirk /AG 50 Wh/m²K mittlere Bauart: 50 Wh/m²K C wirk /AG 130 Wh/m²K schwere Bauart: C wirk /AG > 130 Wh/m²K (Betrachtung nur bis zur Dämmschicht bzw. 10cm) Massive Wand Putz Massiv oder Leichtbau Dämmschicht GKP Massiv oder Leichtbau Dämmschicht SmartBoard 8,5 1, Anorg. Baustoff = 1KJ/kgK = 0,280 Wh/kgK 2. 0,280 Wh/kgK * 2400 kg/m³ = 672 Wh/m³K 3. max. Schichtdicke 10 cm: 672 Wh/m³K * 0,1 m = 67,2 Wh/m²K Anorg. Baustoff: Cwirk = 67,2 Wh/m²K 1,5 1. GKP = 1KJ/kgK = 0,280 Wh/kgK 2. 0,280 Wh/kgK * 800 kg/m³ = 224 Wh/m³K 3. Schichtdicke 1,5 cm: 224 Wh/m³K * 0,015 m = 3,36 Wh/m²K GKP auf Dämmschicht: Cwirk = 3,36 Wh/m²K 1,5 1. SmB (sensibel) = 1kJ/kgK = 0,280 Wh/kgK 2. 0,280 Wh/kgK * 770 kg/m³ = 216 Wh/m³K 3. Schichtdicke 1,5 cm: 216 Wh/m³K * 0,015 m = 3,23 Wh/m²K 4. Latente Wärme 25 C-27 C = 65 Wh/m²K SmartBoard: Cwirk 3,23 Wh/m²K + 65 Wh/m²K 68 Wh/m²K

69 Informationsfluss und Nutzer von PCM-Baustoffen im Bauablauf Funktion für die Endanwendung Warenstrom Chemie Rohstoffe Micronal PCM von BASF (Bau)- Produkte Handel Verarbeiter DIY PCM Nutzer / Investor Nutzer muss Bauprodukt aktiv anfordern Endprodukte verfügbar Diverse Trockenbauplatten Diverse flüssige Baustoffe Weitere Volumenprodukte Zielgruppe Architekten / Investoren Betreiberbauherren TGA - Planer

70 Latentwärmespeicher in den Regelwerken Die aktuelle EnEV bezieht sich auf aktive Komponenten der TGA, Dämmung, regenerative Erzeugung sowie Heizenergieverbrauch Passive Technologien zur Erhöhung der Energieeffizienz werden unzureichend berücksichtigt (Wärmetauscher, PCM, etc.) Nutzen und Grundlagen der Anwendung von PCM sind wissenschaftlich bestätigt und (einem kleinen Kreis) bekannt. Derzeit fehlen jedoch klare Bewertungsrichtlinien für die PCM-Wirkung

71 Latentwärmespeicher in der EnEV 2012? Antwortschreiben des BMVBS auf die firmenübergreifende Anfrage zur Implementierung von PCM in die EnEV

72 Was fehlt? TGA- Planer arbeiten im rechtsfreien Raum (DIN, VDI, EnEV etc.) Marktanreizprogramme wie Förderung oder Boni in der Bewertung Systemintegratoren, die PCM als Systembestandteil begreifen, einplanen und damit konkreten Nutzen wirtschaftlich realisieren. Information aller Marktbeteiligter / Schulungsmöglichkeiten Praxisobjekte mit detailliertem Monitoring und dessen Veröffentlichung

73 PCM im Bau Switch on

74 Expertenworkshop Thermische Speicher Potentiale und Grenzen für die Steigerung der Energiespeicherdichten Anwendungen, Anforderungen und Potentiale in der HLK-Technik Dr.-Ing. Bruno Lüdemann Imtech Deutschland GmbH & Co. KG Forschung und Entwicklung Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 1 Forschung und Entwicklung

75 Imtech Deutschland The Leading Constructor and Service Provider for Technical Building Services Imtech N.V. Imtech Deutschland ,2 5,5% ,9 5,8% Betriebsleistung* EBITA* EBITA-Marge Auftragsbestand* Mitarbeiter (FTE) ,1 5,7% ,3 7,3% * In Mio EURO The companies of the Imtech Deutschland Group belong to the Netherlandsbased Imtech Group. Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 2 Forschung und Entwicklung

76 Anwendungen aus dem LowEx - Forschungsverbund Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 3 Forschung und Entwicklung

77 Different LowEx Cooling Systems using PCM Active latent heat storage systems Air Water Facade ventilation unit Capillary tube mats & PCM wall materials Capillary tube mats & PCM storage tank Imtech Fraunhofer ISE TROX GmbH/HRI Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 4 Forschung und Entwicklung

78 TROX PCM Storage Plate Aluminum or plastic storage plate Large surface for better heat exchange process High packing density for compact storage devices Useable for paraffin and salt hydrates Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 5 Forschung und Entwicklung

79 PCM System Test Set-up Day time: cooling Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 6 Forschung und Entwicklung

80 PCM System Test Set-up Night time: regeneraaaaa Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 7 Forschung und Entwicklung

81 Aktive PCM-Systeme für die Bauteilkühlung Bei passiven Systemen Beschränkungen des Speichers: durch Luft-Wand-Wärme-Übergang Einzige Kältequelle Nachtluft bei Außentemperatur Lösung: -> Aktiv durchströmte Systeme Quelle: Verbesserter Wärmeübergang Beliebige Kältequelle anschließbar Entwicklungs-Projekt 9/2004-8/2008 BASF, caparol, maxit, valentin Energiesoftware, BTU Cottbus, Fraunhofer ISE Förderung durch BMWi, FKZ: F-I,S Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 8 Forschung und Entwicklung

82 aktuelle Forschung: drei Systeme werden realisiert und vermessen drei unterschiedliche Systemkonfigurationen, die von einem Kältespeicher profitieren, wurden realisiert und werden vermessen Foto: DAW Quelle: Foto: Patrick Beuchert Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 9 Forschung und Entwicklung

83 System 1: Dispersionsmasse mit PCM, Kaltwassersatz Quelle: Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 10 Forschung und Entwicklung

84 System 2: Gipsputz mit PCM, Kraft-Wärme-Kälte-Verbund Quelle: Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 11 Forschung und Entwicklung

85 System 3: Gipskarton mit PCM, Erdsonde SmartBoard Quelle: Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 12 Forschung und Entwicklung

86 PCM Speicherplatten: Verbundmaterial als Graphit-Paraffin-Matrix Entwicklung: SGL-Carbon, ZAE Bayern Aufbau Speichermodul: luftdurchströmter Stack aus Einzelplatten Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 13 Forschung und Entwicklung

87 PCM Brüstungsgerät Konzept Imtech-Haus Außenluftklappe PCM Speicher-Modul (Kühlung) Wärmetauscher (Heizung) Ventilator Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 14 Forschung und Entwicklung

88 Leistungsaufnahme PCM-Speichermodul für verschiedene Luftvolumenströmen (Tagbetrieb - Beladung) Sprungantwort: Außenlufttemperatur ca. 31,0 C Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 15 Forschung und Entwicklung

89 Anlagenkonzept PCM Imtech-Haus, Tagbetrieb Umluft Außenluft Umluft Außenluft Umluft Außenluft PCM-Geräte Schalldämpfer Abluft Abluft Umluft Schalldämpfer Abluft Fortluft Kanal Tagbetrieb: PCM beladen (5 kg/m 2 ), V = 75 bis 140 m 3 /h Nachtbetrieb: PCM entladen t A < 22 C, V = 180 m 3 /h (alle Geräte) Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 16 Forschung und Entwicklung

90 PCM Referenzanlage mit 50 Geräten im Imtech-Haus, Betrieb seit März 06 Controller, Klappensteuerung Ausblasöffnung u. Andichtung Regelventil Heizung Einbauzustand in einem Süd-West-Büro Messdaten werden für alle Geräte und jeden Raum detailliert aufgenommen Datenbasis: Optimierung der Regelung für die Übergangszeit und den Sommerbetrieb Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 17 Forschung und Entwicklung

91 Fazit Einsatz PCM-Lüftungsgeräte: PCM-Lüftungsgerät im Imtech-Haus erfolgreich eingesetzt: 5 kg PCM pro m² Grundfläche ausreichend für Büroräume mit Kühllasten bis 60 W/m² Gerätekonzept einschließlich Regelung ist zur Serienreife entwickelt Sommerperioden mit Nachttemperaturen unter 18 C werden beherrscht Raumtemperaturen bleiben unter 26 C Geräteeinsatz muss mit der Fassadengestaltung abgestimmt werden Problem der Zuluftüberhitzung Einsparung gegenüber konventionellen Kälteversorgungssystemen: zwischen 60 % und 85 % Optimierungspotentiale: Regelung (vorausschauende Regelung), Speicherdimensionierung (für größere Lasten), alternative Materialien (Salzhydrate). Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 18 Forschung und Entwicklung

92 Anwendung als Zentralspeicher Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 19 Forschung und Entwicklung

93 Phase Change Slurries (PCS) als neue Wärmeträgerflüssigkeiten Trägerflüssigkeit + Phasenwechselmaterial (PCM) Trägerflüssigkeiten: Wasser Wasser- Glykolmischungen PCMs: mikroverkapselte Paraffine emulgiertes Paraffin FhG ISE Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 20 Forschung und Entwicklung

94 PCS-Demoanlage im Imtech-Labor: Simulation von vollständigen Lastzyklen, Analyse des Speicherverhaltens PCS-Speicher PCS: Industrieeinsatz Rückkühlung Werkzeugmaschinen Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 21 Forschung und Entwicklung

95 Demoanlage wasserbasierter PCM-Plattenspeicher im Imtech-Labor: Simulation von vollständigen Lastzyklen, Analyse des Speicherverhaltens Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 22 Forschung und Entwicklung

96 Einsatz PCS-Speicher in einer zentralen Klimaanlage in der HafenCity Hamburg Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 23 Forschung und Entwicklung

97 Einsatz von PCM-Speichern in zentralen Lüftungsgeräten.. Quelle AGN, Herr Jacobsen Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 24 Forschung und Entwicklung

98 Potentiale der PCM-Techniken in der HLK-Technik: kombinierter Einsatz von PCM-/ PCS-Systemen für die Vorwärmung und Kühlung in Klimageräten (dezentral und zentral) Einsatz von Fassadensystemen in der Sanierung Verzicht auf Kälteverrohrung oder kleine lokale Verrohrungen möglich Trotz hohem Materialpreis dort interessant, wo andere Systeme (Kältemaschine, Rohrsystem etc.) eingespart werden können PCS: Einsatz in Kältenetzen, Kapazitätserhöhung von Altanlagen Wärmespeicher in Verbindung mit Kleinstwärmepumpen und Solartechnik für Wohnungsbau? Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 25 Forschung und Entwicklung

99 Anforderungen, weiterer Entwicklungsbedarf für den Einsatz in der TGA: Steigerung der volumenspezifischen Kapazität Bauraum Zyklenstabilität und geringere Unterkühlung u. Volumendehnung geringerer spezifischer Preis ( Material, Herstellungsverfahren ) Bewertung der PCM-Systeme in den entsprechenden Normen und Richtlinien (EnEV, DIN V 18599) Beurteilung kombinierter Systeme aktiv / passiv z.b. im Bürobau mehr Betriebserfahrungen nötig größere Demoprojekte, Monitoring - aktuell Erstellung von Testräumen (Büro, Patientenzimmer) durch Imtech für das PCM-Lüftungsgerät Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 26 Forschung und Entwicklung

100 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Imtech Deutschland Netzwerk Kälteeffizienz Hamburg: Möglichkeiten PCM 27 Forschung und Entwicklung