Thermochemische Netze

Transkript

1 Serena Danesi Thomas Bergmann Innovationsgruppensitzung IG SP-WT 12. April 2016, HSLU / Horw Zürcher Fachhochschule 1

2 Einführung in die Thematik "Thermochemische Netze" Bisherige Ergebnisse Aktuelle Arbeiten Zürcher Fachhochschule 2

3 Wärmepumpe / Kältemaschine = Umkehrung eines Wärmekraftwerkes: Zürcher Fachhochschule 3

4 Wärmepumpe / Kältemaschine = Umkehrung eines Wärmekraftwerkes: Bewegung von Wärmeströmen entgegen ihrer natürlichen Richtung mit Hilfe einer mechanischen oder thermischen Antriebsleistung Realisierung durch Änderung der Richtung der Prozesse => links laufende Kreisprozesse Zürcher Fachhochschule 4

5 Kompressionswärmepumpe => elektrische Antriebsleistung: Kompressor (1-2): Druckerhöhung des Arbeitsmediums in der Dampfphase <= Antriebsenergie Kondensator (2-3): Wärmeabgabe auf hohem Druck- und Temperaturniveau => Nutzwärme Drossel (3-4): Entspannung (Druckabsenkung) Verdampfer (4-1): Wärmeaufnahme auf niedrigem Druck- und Temperaturniveau (Abwärme) Zürcher Fachhochschule 5

6 Absorptionswärmepumpe => thermische Antriebsleistung: Verdichter wird durch eine thermische Kompression (1-2) ersetzt Absorber (unteres Druckniveau) & Kondensator => Nutzwärme Desorber (oberes Druckniveau) <= Wärmezufuhr bei hoher Temperatur (Antriebsenergie) Zürcher Fachhochschule 6

7 Absorptionswärmepumpe / -kälteanlage als geschlossener Prozess: gesamter Prozess läuft in einer geschlossenen Anlage ab Arbeitsmittel (Absorbat): Wasser Absorptionsmittel (Absorbens): hygroskopische (wasseranziehende) Salzlösung Absorptionskälteanlage Flughafen München Zürcher Fachhochschule 7

8 Auftrennung des Absorptionswärmepumpenprozesses: => zeitlich und örtlich variabler Nutzwärmegenerations- und Regenerationszyklus Nutzwärme (niedrige Temperatur) oder Abwärme Antriebswärme (hohe Temperatur) Umgebungswärme bzw. Abwärme Nutzwärme Zürcher Fachhochschule 8

9 Transport und Speicherung eines chemischen Potentials im Absorptionsmittel => Vermögen, aus nicht nutzbarer Energie, wie Umgebungs- bzw. Abwärme, durch anheben (Heizen) oder absenken (Kühlen) des Temperaturniveaus, Nutzenergie zu generieren Arbeitsmittel Wasser kann an die Umgebung abgegeben bzw. der Umgebung entnommen werden Absorptionsmittel Salzlösung konzentriert (arm an Arbeitsmittel) = hohes chemisches Potential verdünnt (reich an Arbeitsmittel) = geringes chemisches Potential Zürcher Fachhochschule 9

10 Thermochemische Energieversorgungsnetze Transport von gespeichertem thermischen bzw. chemischen Potential in Form von konzentrierten Salzlösungen, mit dem am Ort des Wärmebedarfes Nutzwärme produziert werden kann hohe "Energiedichte", geringe Investitionskosten, verlustlose Langzeitspeicherung Zürcher Fachhochschule 10

11 Regeneration (Gewinnung von chemischem Potential): Wärme auf hohem Temperaturniveau z.b. Abgaswärmetauscher an einem BHKW (Abgastemperatur ca. 500 C) Verdünnte Salzlösung Regeneration Konzentrierte Salzlösung Wärme auf niedrigerem Temperaturniveau Kondensationswärme (100 C) Speicherung von thermischem Potential in Form eines chemischen Potentials einer Salzlösungen thermisches Potential =Temperaturdifferenz zum Umgebungszustand chemisches Potential = Aufnahmevermögen (Gleichgewichtszustand) von Arbeitsmittel im Sorptionsmittel hohe Salzkonzentration = niedrige Arbeitsmittel(Wasser)konzentration = hohes Aufnahmevermögen = hohes chemisches Potential Zürcher Fachhochschule 11

12 Möglichkeiten der Regeneration:.. mit einem offenen Prozess: Aufkonzentrieren der Salzlösung durch atmosphärisches Verdunsten des Arbeitsmittels Nutzung von Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau (ab ca. 30 C).. mit einem geschlossenen Prozess: Aufkonzentrieren der Salzlösung durch Ausdampfen des Arbeitsmittels mit anschliessender Brüdenkondensation Nutzung eines ungenutzten thermischen Potentials (z.b. Abgaswärme an BHKW-Anlagen) beim Auskochvorgang wird bei Umgebungsdruck eine Temperatur oberhalb von 100 C benötigt, die Abgabe der Wärme im Kondensator erfolgt bei 100 C Kathabar Dehumidification Systems, Inc. (KDS) HT-Brennwerttechnik am HKW-Buch (Berlin) Zürcher Fachhochschule 12

13 Nutzwärmegeneration: Trockene Luft + Nutzwärme Konzentrierte Salzlösung Wärmepumpe Verdünnte Salzlösung Feuchte Luft Umwandlung des gespeicherten chemischen Potentials in Nutzwärme bzw. -kälte Wasserdampf (z.b. aus der Luft => Luftfeuchte) wird von der Lösung absorbiert (Luft wird getrocknet) Erwärmung der Salzlösung (Kondensationswärme des Wasserdampfes) Temperaturniveau bei der Absorption ist (bedingt durch das chemische Potential der Salzlösung) höher als bei der Kondensation (Taupunkttemperaturanhebung) Zürcher Fachhochschule 13

14 Möglichkeiten der Nutzwärmegeneration:.. mit einem offenen Prozess: Sorptionsgestützte Klimatisierung LDCS-Anlagen (Liquid Desiccant Cooling Systems) energieeffiziente Möglichkeit der Luftentfeuchtung und Kühlung zur Gebäudeklimatisierung Trocknungsprozesse Wäschereien industrielle Trocknungsprozesse.. mit einem geschlossenen Prozess: Saisonale Wärmespeicher Sorptionsspeicher Demonstrationssystem SPF / EMPA Zürcher Fachhochschule 14

15 Bisherige Arbeiten Regeneration an einem BHKW Aufkonzentrierung einer Calciumnitratlösung an einer mit Biogas betriebenen BHKW-Anlage Randbedingungen: Daten vom BHKW und vom Heiznetz (Temperaturen v. Heizkreisvor- und -rücklauf, Abgastemperatur nach Motor und am Wärmetauscheraustritt) Daten von armer und reicher Lösung (Konzentration der armen und reichen Lösung, Temperatur der reichen Lösung) Apparatespezifizierung (maximale Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgerund Siedetemperatur, minimale Temperaturdifferenz für alle Wärmeübertrager) Ergebnis: wärmetechnische Auslegung der Anlage Erstellung eines Anlagenschemas Biogasanlage BHKW Arbeitslösung Zürcher Fachhochschule 15

16 Bisherige Arbeiten Klimatisierung von Gewächshäusern Ermittlung des durch Lüftung bedingten Verlustes an fühlbarer und latenter Wärme Definition typischer Aussenluft- und Gewächshausluftzustände für charakteristische Betriebszeiten Ergebnisse: Energieeinsparungspotential: 680 MWh/a Überhitzung des Gewächshauses im Sommer (hohe Temperatur und Luftfeuchte) kann durch sorptionsgestützte Kühlung verhindert werden Salzlösung wirkt antibakteriell stabiles Gewächshausklima durch Phasengleichgewicht (Regelung über Konzentration und Temperatur der Salzlösung) Übergang Sommer Winter Tag Nacht Tag Nacht Tag Nacht Aussen Temperatur [ C] Rel. Feuchte [%] Raum 41 Temperatur [ C] Rel. Feuchte [%] Raum 14 Temperatur [ C] Rel. Feuchte [%] Zürcher Fachhochschule 16

17 Partner: Watergy GmbH Gebäudeprototyp in Berlin mit Gewächshaus als Feuchtluft-Solarkollektor Zürcher Fachhochschule 17

18 Horizon 2020 Projekt "H-DisNet" H-DisNet: Hybrid Thermal and Thermochemical District Networks Partner: Katholieke Universiteit Leuven (Belgien) Watergy GmbH (Deutschland) ZHAW (Schweiz) University of Newcastle (Grossbritanien) TU Berlin (Deutschland) Thermaflex (Niederlande) Aurubis (Deutschland) Zeit: Projektstart voraussichtlich 1. Juni 2016, Laufzeit: 3 Jahre Entwicklungsziele / Meilensteine: III / 2016 II / 2017 : Entwicklung von Komponenten und Anwendungsstrategien für Regeneration und Nutzwärmegeneration I / 2017 IV / 2018 : Planung, Realisierung von Demonstrationsanlagen, messtechnische Betriebsauswertung, Erstellung eines Simulationsmodells II / 2018 II / 2019 : Potentialanalyse und Modellanpassung Zürcher Fachhochschule 18

19 Kontakt Für weitere Informationen: Thomas Bergmann Dozent für thermische Speichersysteme Tel.: +41 (0) Serena Danesi Wissenschaftliche Mitarbeiterin Tel.: +41 (0) ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften IEFE Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering Technikumstrasse 9, Postfach CH-8401 Winterthur Zürcher Fachhochschule 19