Sorptionswärmespeicher für Einfamilienhäuser Technisches Konzept und Erfahrungen

Transkript

1 Sorptionswärmespeicher für Einfamilienhäuser Technisches Konzept und Erfahrungen Henner Kerskes Institut für Thermodynamik and Wärmetechnik (ITW) Forschungs- und testzentrum für Solaranlagen (TZS) Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, Stuttgart Internet:

2 Wärmespeicherung Speicherung fühlbarer Wärme Warmwasserspeicher - Heizung - Klimatisierung Feststoffspeicher - Untergrundspeicher - keramische Materialien für Hochtemperatur-Prozesse

3 Wärmespeicherung Latentwärmespeicher - Wärmespeicherung - Kältetechnik und Klimatisierung

4 Wärmespeicherung Thermo-Chemische Speicher - erste Entwicklungen im Bereich Adsorptions-Prozesse - erste Ansätze im Bereich chemischer Reaktion

5 Thermochemische Wärmespeicherung Adsorption Anlagerung von Molekülen an die (innere) Oberfläche von Adsorbentien (Silikagel, Zeolith, Aktivkohle,...) Adsorption Wärmezufuhr Wärmefreisetzung Desorption

6 Vorteile thermochemischer Wärmespeicherung hohe Energiespeicherdichte Energiespeicherdichte Faktor Wasser * 60 kwh 1 Latent kwh 1 2 Adsorption kwh 2 3 Reaktion kwh 4 10 * bei T = 50 K Vergleich der Speicherdichte verschiedener Speichermechanismen

7 Vorteile thermochemischer Wärmespeicherung hohe Energiespeicherdichte verlustfrei Wärmespeicherung Nachteil: hohe Wärmeleistung schwierig hohe Regenerationstemperaturen ( C)

8 Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Solares Heizen mit einem Sorptionsspeicher in einem Einfamilienhaus Erste Betriebserfahrungen mit einer Pilotanlage Dagmar Jähnig AEE Institut für Nachhaltige Technologien (AEE INTEC) A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19 AUSTRIA

9 Geschlossener Adsorptionsprozess

10 Adsorptionssystem der AEE Intec (Österreich)

11 AEE Intec Pilotanlage Niedrigenergiehaus Nähe Graz, Östereich 32 m² Flachkollektor 900 l Warmwasserspeicher 2 Sorptionsspeicher mit 1000 kg Silicagel Niedertemperatur- Fussbodenheizung Inbetriebnahme 2005

12 Desorption Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Beheizen der Sorptionsspeicher mit den Kollektoren Kondensationswärme wird in den Pufferspeicher abgeführt oder nachts über die Kollektoren weggekühlt Erreichte minimale Beladung: 2-3%

13 Heizbetrieb Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Pufferspeicher wird über die Kollektoren beheizt. wenn Temperatur im Pufferspeicher ausreicht, direktes Heizen aus dem Pufferspeicher. wenn die Temperatur nicht mehr ausreicht, Verdampfung mit der Puffertemperatur, Adsorption und Heizung aus Sorptionsspeicher. Temperaturhub sinkt mit fortschreitender Adsorption.

14 Fazit geschlossene Adsorption relativ hoher apparativer Aufwand (Vakuum) Heizbetrieb weist noch Schwächen auf: Wärmeverluste in Kondensator/Verdampfereinheit zu hoch Sorptionsspeicher zu klein saisonale Speicherung Temperaturerhöhung ist ab mittlerer Beladung des Speichers kleiner als erwartet schlechte Ausnutzung des Speichermaterials (ca. 50%) Entwicklung besser Adsorbentien wünschenswert Desorption des Silikagels mit Flachkollektoren funktioniert gut Erste erfolgreiche Darstellung einer solarthermischen Pilotanlage mit geschlossenem Adsorptionssystem auf Silikagel-Basis Informationen unter

15 Offene Adsorption MonoSorp Ein interales Konzept zur thermischen Gebäudeheizung mit Sorptionsspeicher

16 Systembeschreibung Integrales Konzept zur solaren Gebäudebeheizung Langzeitwärmespeicher aus extrudierten Zeolithen als Ergänzung zur Kombianlage Integriert in eine kontrollierte Gebäudebelüftung Luftfeuchte der Gebäudeabluft dient als adsorptive Wärmequelle

17 Herstellung der Monolith Vorteile der Monolithe geringer Druckverlust hoher Wärme- und Stoffübergang exellente Adsorptioneigenschaften

18 Integration in das Heizungssystem / Winter Durchströmung des Speichers mit feuchter Abluft Adsorption der Feuchte an Zeolith Freisetzung der Adsorptionsenthalpie Abluft erwärmt sich beim Durchströmen auf ca. 43 C Erwärmung der Frischluft im Wärmeübertrager der Lüftungsanlage

19 Integration in das Heizungssystem / Sommer Regeneration des Speichers im Sommer durch "Überschusswärme der Solaranlage" Durchströmung des Speichers mit heißer Luft Trocknung des Zeolith verlustfreie Speicherung

20 Versuchsanlage Adsorptionsspeicher (100 l) CPC-Vakuumröhrenkollektor 4,4 m²

21 Blick in den Speicher

22 Adsorption Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik Zuströmbedingungen: T zu = 20 C, ϕ zu = %, V & = 50 m³/h

23 Adsorption Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik A B C

24 Desorption

25 Thermische Leistungsfähigkeit (Simulation) Task 32 Storage Einfamilienhaus, Zürich, 60 kwh/m², Gesamtwärmebedarf ca kwh

26 Vorteile / Nachteile des Verfahrens Langzeitwärmespeicherung mit hoher Speicherkapazität 130 kwh/m³ Faktor >2 gegen über Wasser geringer Druckverlust durch monolithische Struktur einfache Integration in Lüftungssystem geringer zusätzlicher apparativer Aufwand (Speicher, zwei Umschaltventile, Luft/Wasser-Wärmeübertrager) Wärmequelle (feuchte Raumluft) steht,,kostenlos zur Verfügung hohe solare Deckungsanteile bei moderater Anlagengröße Nachteil: geringe Heizleistung (ca. 1 1,5 kw) gekoppelt an Raumabluftfeuchte Herstellung der Monolithe derzeit aufwendig

27 Schlussfolgerungen Die Sorptionstechnik für die solarthermische Wärmespeicherung gut anwendbar verlustfreiearme Speicherung (Eignung für Langzeitspeicherung) erste praktische Erfahrungen stehen zur Verfügung Sorptionsspeicher sind auf dem Weg zur techn. Anwendung insgesamt noch deutlicher Forschungsbedarf (Systemtechnik, Systemintegration, Regelung, etc.) Weiterentwicklung der Sorptionsmaterialien notwendig, um Kosten zu senken und Speicherdichte zu erhöhen

28 Lüfterwärmung für Desorption