Kühlen ohne Kältemaschine Eutektika und PCM in der Gebäude- und Prozesskühlung

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1 Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG Kühlen ohne Kältemaschine Eutektika und PCM in der Gebäude- und Prozesskühlung Dr. Bruno Lüdemann Praxistag betrieblicher Klimaschutz Berlin, den Seite 1

2 Agenda Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&E Eutektika und Anwendung eutektischer Kältemischungen Phase Change Materials (PCM) für die Gebäudekühlung Phase Change Slurries (PCS) Stand der Forschung PCM-Makrokapseln in Wasserspeichern Seite 2

3 Unsere Geschichte: Rud. Otto Meyer Technik kehrt als Qualitätsmarke zurück mit den Schwerpunkten: Hohe Wertschöpfungstiefe Operative Top-Leistungen Klare Kundenorientierung Übernahme durch Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG Zukunft Fusion von ROM und Rheinelektra zur Imtech Deutschland GmbH & Co. KG Installation eines Heizsystems für den Jin Mao Tower in China 1999 Installation der ersten Fernheizung für den Vatikan 1970 Erste deutsche Rasenheizung im Münchener Olympiastadion Entwicklung des ersten Wärme-Kraftwerks Gründung der Rud. Otto Meyer (ROM) in Hamburg Gusseiserner Strebel Kessel Seite 3

4 Rudolf Otto Meyer Technik im Überblick: Die Geschäftsfelder: Führend im Anlagenbau und Dienstleistungsbereich mit ca Mitarbeiter in den vier Geschäftsfeldern, die von Erfahrungen aus über 150 Jahren Firmengeschichte profitieren Deutschlandweiter Aktionsradius mit 22 Standorten Mittelstandsgeprägtes Unternehmen mit schneller und leistungsstarker Struktur Seite 4

5 F&E - Kompetenz in Technik und Innovation ROM Forschung und Entwicklung Labor Numerische Simulation Energiedienstleistungen Temperatur [ C] Wämeleistung [kw] Außentemperatur Wärme Jul Sep Nov Jan Seite 5

6 Agenda Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&E Eutektika und Anwendung eutektischer Kältemischungen Phase Change Materials (PCM) für die Gebäudekühlung Phase Change Slurries (PCS) Stand der Forschung PCM-Makrokapseln in Wasserspeichern Seite 6

7 Eutektische Gemische eutektisches Gemisch, Eutektikum, festes Gemenge aus mindestens zwei im flüssigen Zustand vollständig mischbaren Stoffen, dessen Schmelze wie ein reiner Stoff bei einer bestimmten Temperatur erstarrt, wobei die Komponenten sich aber entmischen und als feinkristallines Gemenge vorliegen. Kühlt man z.b. eine wäßrige Salzlösung ab, so scheiden sich die ersten Eiskristalle unterhalb des üblichen Eispunktes ab. Bei weiterer Abkühlung fallen immer mehr Kristalle aus, und die Lösung wird immer konzentrierter. Erreicht man den eutektischen Punkt, bleibt die Temperatur konstant, und das Gemisch erstarrt als Eutektikum. Quelle: Spektrum der Wissenschaft Quelle: M. Mesch 2014 Quelle: chemgapedia Seite 7

8 Eutektische Kältemischungen Kältemischungen beruhen auf zwei Prinzipien: Beim Lösen bestimmter Substanzen wird Energie aus der Reaktionsumgebung benötigt (endothermer Lösungsvorgang). Dieser Lösevorgang entzieht also der Umgebung Wärme, so dass eine entsprechende Abkühlung erfolgt. Durch den Phasenübergang fest flüssig wird weitere Energie endotherm aus der Umgebung entzogen. Geht man von einem niedrigen Temperaturniveau aus, in dem man Eis (0 C) oder Trockeneis (gefrorenes Kohlendioxid, C) als Basis für die Kältemischung nimmt, so lassen sich je nach Art des zugegebenen Stoffes Temperaturen zwischen 0 und -100 C erreichen. Quelle: Seite 8

9 Technische Anwendungen Kältemischungen Seite 9

10 Agenda Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&E Eutektika und Anwendung eutektischer Kältemischungen Phase Change Materials (PCM) für die Gebäudekühlung Phase Change Slurries (PCS) Stand der Forschung PCM-Makrokapseln in Wasserspeichern Seite 10

11 Kälteerzeugung mit PCM: Materialauswahl Quelle: Bine-Info Seite 11

12 Ansatz passive Speicherung von Wärme in Bauteilen Mikroverkapselte Materialien für die Integration in Baustoffe für passive Systeme optimierter Schmelztemperatur im Bereich C verfügbar Entwicklung und Markteinführung von Putzen und pasteusen Produkten mit integrierten Latentmaterialien Hauptanwendung: Komforterhöhung im Sommer Speicherladung am Tag durch Raumlasten; Speicherentladung in der Nacht durch Lüftung Langzeitstabilität erreicht ( Zyklen getestet) Quelle: Fhg-ISE Seite 12

13 Lufttemperaturmessungen im PCM-Testraum (ISE) Seite 13

14 PCM-Systeme für die aktive u. passive Bauteilkühlung Hersteller Makrokapseln z.b Dörken, Rubitherm BASF: micronal Quelle: Verschiedene Produkte mit Mikrokapseln: Gipsputz,Gipsplatten, Porenbetonsteine.. SmartBoard Seite 14

15 Aktive PCM-Systeme für die Bauteilkühlung Bei passiven Systemen Beschränkungen des Speichers: Lösung: durch Luft-Wand-Wärme-Übergang Einzige Kältequelle Nachtluft bei Außentemperatur Quelle: -> Aktiv durchströmte Systeme 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 Seite 15

16 System 3: Gipskarton mit PCM, Erdsonde SmartBoard Seite 16

17 PCM-Forschungsprojekte bei ROM F&E LowEx: Niedrigexergiesysteme für die Heiz- und Raumlufttechnik, Verfahrensentwicklungen, Verbundprojekt: Entwicklung von Kältespeichern auf der Basis von Phasenwechselfluiden und makroverkapselten Phasenwechselmaterialien, Kompakte und wirtschaftliche Latentwärmespeicher für Kühlprozesse im Niedertemperaturbereich, Seite 17

18 PCM Speicherplatten: Verbundmatrix Graphit-Paraffin Entwicklung: SGL-Carbon, ZAE Bayern Aufbau Speichermodul: luftdurchströmter Stack aus Einzelplatten Seite 18

19 Brüstungsgerät mit PCM-Speicher - Konzept Büro Außenluftklappe PCM Speicher-Modul (Kühlung) Wärmetauscher (Heizung) Ventilator Graphitschaum-Paraffin-Platte Entwicklung SGL-Carbon, ZAE Bayern Aufbau Speichermodul: luftdurchströmter Stack aus Einzelplatten Gefördert durch das BMWi / PTJ Seite 19

20 Referenzanlage mit 50 Geräten in Hamburg Controller, Klappensteuerung Ausblasöffnung u. Andichtung Regelventil Heizung Kühlen ohne Kältemaschine - mehrjähriger Einsatz im normalen Bürobetrieb Umfangreiche Messdaten als Datenbasis für die Optimierung des dynamischen Betriebes in der Übergangszeit und im Sommer Seite 20

21 Energieeffizienz der PCM-Technik PCM-Geräte (1450 Stück) und Abluftanlage: Bedarf für Raumkühlung: 47,5 MWh el /a ANL ANL ANL Seite 21

22 Agenda Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&E Eutektika und Anwendung eutektischer Kältemischungen Phase Change Materials (PCM) für die Gebäudekühlung Phase Change Slurries (PCS) Stand der Forschung PCM-Makrokapseln in Wasserspeichern Seite 22

23 Nutzung von PCM in Fluidsystemen Phase Change Slurries (PCS) Forschungsprojekt: Entwicklung wasserbasierter PCM-Speicher Trägerflüssigkeit + Phasenwechselmaterial (PCM) Trägerflüssigkeiten: Wasser Wasser- Glykolmischungen PCMs: mikroverkapselte Paraffine emulgiertes Paraffin Ansatz für kompakte Kältespeicher und materialeffiziente Anlagen Gefördert durch das BMWi / PTJ Seite 23

24 PCS-Demoanlage im ROM-Labor, Ansichten 5 m³-speicher mit Wärmeübertrager-Einheit für Lastwechselsimulationen Seite 24

25 PCS-Demoanlage im ROM-Labor, Aufbau WÜ 3 WÜ Seite 25

26 PCS material - first charge Mikrocapsule dispersion R (first charge from ) Seite 26

27 PCS mit mikroverkapselten PCM-Teilchen Enthalpieverlauf (Micronal DS 5045X) 27 C 22 C: h c = 49,6 kj/kg 22 C 27 C: h h = 54,2 kj/kg 27 C 22 C: h H2O = 20,9 kj/kg Faktor: 2,4-2,6 Speicherfaktor: 1,9-2, Seite 27

28 Ziele für die Entwicklung von zentralen Speichersystemen auf Basis PCM/PCS höhere Energiedichte (angestrebt: Faktor 4 bis 5 gegenüber Wasser) Entwicklung neuer Energiespeichersysteme Analyse und Bewertung der entwickelten Speichersysteme in verschiedenen Anwendungssituationen (Gebäudekühlung, Prozesskühlung) Erhöhung von Energietransportkapazitäten bei geringen Transportwiderständen Entwicklung einer geeigneten Emulsion aus Wasser und Latentwärmespeicher als Kälte-/Wärmeträger Bewertung von Strömungs- und Wärmeübertragungseigenschaften von Wasser- Paraffin-Mischungen Entwicklung neuer Simulationsmodelle für Systeme aus Emulsionen Seite 28

29 Aktuell: Entwicklung und Bewertung von Emulsionen Partner Forschungsprojekt Vorteile gegenüber mikroverkapselten Slurries: einfachere Herstellung, ein Prozessschritt geringerer Preis geringere Visosität, höhere Wärmekapazität hydr. Aufwand u. Wärmeübergang günstiger Ziel: 4-fache Wärmekapazität gegenüber H 2 O Anforderung: Stabilität f. mehrere 1000 Zyklen Seite 29

30 Verbund-FP KOLAN: Design von PCS-Emulsionen (Quelle: Fraunhofer ISE) Seite 30

31 Kompakte Kälte-Speicher durch PCM Τ Quelle: ROM Technik Seite 31

32 Systembetrachtung, Bsp. industrielle Anwendung Prinzipschema und Modellierung einer Schleiföl-Kühlanlage Seite 32

33 Simulationen Betriebsverhalten Schleifölkühlanlage Seite 33

34 Potentiale der PCM-/PCS-Systeme: Einsatz von Fassadensystemen in der Sanierung Verzicht auf Kälteverrohrung oder kleine lokale Verrohrungen möglich Einsatz von PCM- oder PCS-Systemen für die Vorwärmung und Kühlung in Klimageräten (dezentral und zentral) Trotz hohem Materialpreis dort interessant, wo andere Systeme (Kältemaschine, Rohrsystem etc.) eingespart oder deutlich kleiner ausgelegt werden können PCS (Phase-Change-Slurries): Einsatz in Kältenetzen, Kapazitätserhöhung von Altanlagen Seite 34

35 Agenda Kurzvorstellung ROM Technik / ROM F&E Eutektika und Anwendung eutektischer Kältemischungen Phase Change Materials (PCM) für die Gebäudekühlung Phase Change Slurries (PCS) Stand der Forschung PCM-Makrokapseln in Wasserspeichern Seite 35

36 Speicher mit Makrokapseln Demoanlage im ROM-Labor Simulation von vollständigen Lastzyklen, Analyse des Speicherverhaltens Seite 36

37 Makrospeicher Skizze Beispiel einer Probe Horizontale oder vertikale Befüllung des Speichers mit ROM - Makrokapseln Seite 37

38 Makrospeicher vertikale Anordnung Zusammenfügen der Stacks Sicherung der Wellschläuche mit Lochblech Vertikale Befüllung des Speichers Seite 38

39 Versuchsdurchführung Vorüberlegung Ziel Identifizierung des optimalen Temperatursprungs für den Betrieb des Speichers Bei 30. (Voruntersuchung) (Quelle: Sasol GmbH) Variation der unteren und oberen Ecktemperaturen Kleiner Temperatursprung Eng um Phasenwechselbereich Bei vollständiger Ausnutzung der latent speicherbaren Energie Hohe Ausnutzung der theoretischen Speicherkapazität Großer Speicherfaktor Vermutung: optimaler Temperatursprung 15 C 20 C, Ausgangspunkt : untere Ecktemperatur 15 C Seite 39

40 Vergleich der Speicherfaktoren optimiert Speicherdichte des KW-Speichers bleibt konstant Steigerung des Speicherfaktors möglich Seite 40

41 Eigenentwicklung Makrokapseln Speicherprototyp Vorgabe Kleiner Maßstab Kostengünstige Lösung Anteil Bordmittel möglichst hoch Makrokapsel-Speicherprototyp Speichervolumen: 0,01226 m³ Volumen Parafol 16-97: 0,00194 m³ Volumenanteil Parafol 16-97: 15,82 Vol-% Speicherbehälter Speicherpatrone Halterungskonstruktion Makrokapseln Styrodurprofile Seite 41

42 Übertragung auf anwendungstypische Speichergröße Optimierungspotenzial Anzahl Kapseln Füllvolumen Kapseln Volumenanteil Parafol Speicherkapazität Speicherdichte in in ³ in % in in / Speicher -faktor ,12 62,33 194,948 38,99 6, ,72 54,37 173,968 34,79 5, ,27 45,31 150,073 30,01 4, ,81 36,25 126,178 25,24 4, ,36 27,19 102,283 20,46 3, ,91 18,12 78,388 15,68 2, ,79 15,82 70,265 14,05 2,32 Verbesserungspotenzial vorhanden Steigerung der Kapselanzahl möglich Theoretisches Maximum: 3439 Makrokapseln konstruktiv umsetzbare Lösung: 2500 Makrokapseln 3439 (Quelle: packomania.com) Seite 42

43 Weitere Ansätze PCM in extrudierter Kunststoffmatrix Ansatz F&E: Nutzung als Schüttung Kombination mit Sasol- Hochleistungsparaffinen billige, effektive Gestaltung Seite 43

44 Anforderungen, weiterer Entwicklungsbedarf für PCM / PCS in der Gebäude- u. Prozesskühlung Steigerung der volumenspezifischen Kapazität (PCS: Faktor 3 gegenüber Wasser erreicht, 4 bis 5 angestrebt, bei Makrokapseln rund Faktor 5 erreichbar) Zyklenstabilität, Unterkühlung u. Volumendehnung der PCS verbessern Emulsionen für Schmelztemperaturen 6/12, 9/15 oder 12/18 entwickeln geringerer spezifischer Preis ( Material, Herstellungsverfahren, Masse) (aber: Anwendungen mit Einsparungen bei Anlagenbau und Aufstellfläche im Einzelfall / Nischenanwendungen schon jetzt nahe der Wirtschaftlichkeit) Bewertung der PCM-Systeme in den entsprechenden Normen und Richtlinien (EnEV, DIN V 18599) Betriebserfahrungen mit PCS sammeln Demoprojekte, Monitoring, Langzeitverhalten in Anlagen, Fouling, Entsorgung Seite 44

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Seite 45

46 Kontakt Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG Forschung & Entwicklung Tilsiter Straße Hamburg Dr.-Ing. Bruno Lüdemann Energiesysteme u. Simulation Telefon Dipl.-Ing. Peter Thiel Labor Telefon Seite 46