Effizienzsteigerung von Haushaltskühlgeräten durch polymergebundene Phasenwechselmaterialien. Thermodynamik Kolloquium, 23.

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1 Effizienzsteigerung von Haushaltskühlgeräten durch polymergebundene Phasenwechselmaterialien Thermodynamik Kolloquium, 23. September 2014 G. Sonnenrein 1, A. Elsner 1, K. Fieback 2, K. Lessmann 3, A. Morbach 4, J. Vrabec 1 1, Universität Paderborn, 2 PCM-innovativ GmbH, Michendorf, 3 Pfinder KG, Böblingen, 4 Miele & Cie. KG, Gütersloh

2 Motivation Fakultät für Maschinenbau Strombedarf der privaten Haushalte nach Anwendungsarten 60 GWh, täglich

3 Hauptziel: Reduzierung der Energieaufnahme durch Absenken der Verflüssigungs- bzw. Anheben der Verdampfungstemperatur mittels Phasenwechselmaterialien (PCM) 3

4 Nebenziel: Potential der Kühlgeräte für das Lastmanagement Erzeugung und Verbrauch müssen zur Sicherung der Netzfrequenz zu jedem Zeitpunkt ausgeglichen werden, z.b. durch (Pump-)Speicherkraftwerke oder Lastverschiebung

5 Fakultät für Maschinenbau Temperaturschwankungen im Kühlfach durch EIN/AUS-Regelung (mittlere Innentemperatur 5 C) Alle Maxima und der Mittelwert (5 C) nahezu identisch, aber dabei KompressorEinschaltdauer mehr als verdoppelt ( Last erhöhen ) KompressorAusschaltdauer mehr als verdreifacht ( Last reduzieren )

6 Speicherung thermischer Energie mit Phasenwechselmaterialien (Latentwärmespeicherung) Speicherung großer Wärmemengen bei nahezu konstanter Temperatur Auswahlkriterien: H, cp, λ, Unterkühlung, Korrosivität, Rezyklierbarkeit, Toxikologie, Volumenänderung, Preis, Auslaufsicherheit Zyklenanzahl > , bei -10 bis 0 C und 30 bis 40 C Paraffine [ZAE]

7 Modifikation des Basismaterials (Paraffin) Auslaufsicherheit Compoundieren mit Polymeren Auch in der flüssigen Phase gebunden Zusätzliche Additivierung mit expandiertem Graphit: Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit λ (in Abhängigkeit vom Massenanteil ω) von 0.19 auf max W/(m K) (bei ω 0.3 g/g)

8 Speicherkapazität am Beispiel RT35HC vs. Polymer-Compound

9 PCM Integration in einen Verdampfer Miele K S-1 Nutzinhalt 163 Liter Energieeffizienz A+ (Eingeschäumter) Verdampfer (Al-Platte 50 x 55 cm, Al-Rohr 8 mm) 600 g PCM Schmelzpunkt bei ca. -4 C

10 Temperaturverlauf mit/ohne PCM am Verdampfer (mittlere Innentemperatur 5 C) Kühlraum Maxima und Mittelwert fast identisch Verdampfer Minima um 10 und Mittelwert mit PCM um ca. 8 K erhöht Reduzierung der Energieaufnahme um ca. 10%

11 PCM Integration in einen Kondensator Miele K 9252 i-1 Nutzinhalt 152 Liter Energieeffizienz A++ Draht-Rohr-Kondensator Integration verschiedener Speicherelemente: Je 500 g Wasser, RT35HC, Polymer-Compound

12 Temperaturverteilung am Kondensator Kompressor- Start Stopp Stopp + 15 min ohne Wasser RT35HC Polymer- Compound 12

13 Temperaturverlauf mit/ohne PCM am Kondensator 500 g Polymer- Compound: Kondensatortemperatur im Mittel um ca. 6 K verringert Reduzierung der Energieaufnahme um ca. 10% Temperaturspreizung von 21 K auf 8 K reduziert

14 Energieaufnahme mit/ohne PCM am Kondensator

15 Temperaturverlauf mit/ohne PCM an Kondensator und Verdampfer Miele K i, Nutzinhalt 154 Liter, Energieeffizienz A++ Freihängender Rollbond-Verdampfer mit 150 g Polymer-Compound (-4 C) Drahtrohr-Verflüssiger mit 500 g Polymer-Compound (35 C) Temperaturschwankungen im Kühlfach um ca. 1 K verringert Verdampfertemperatur um ca. 6 K erhöht Kondensatortemperatur um ca. 6 K verringert Reduzierung der Energieaufnahme um ca. 17% 15

16 Modifizierung der Temperaturregelung mit PCM am Verdampfer 16

17 Pooling von Kühlgeräten Fakultät für Maschinenbau Potential für Regelleistungsmarkt: über 67 Millionen Kühl- und Gefriergerätegeräte in Deutschland mit einem täglicher Stromverbrauch ca. 60 GWh Durchschnittlich im Netz ca. 2.5 GW ( Last reduzieren ) ca. 5 GW können je nach Bedarf Last erhöhen Via Cell-Broadcast-Service können Geräte eines Zellclusters geschaltet werden (unidirektional) 17

18 Zusammenfassung Fakultät für Maschinenbau Reduzieren der Energieaufnahme durch Integration von PCM im Kondensator um bis zu 10% im Verdampfer um bis zu 12% in Kombination um bis zu 17% Verringerung der Temperaturschwankungen im Kühlfach Potential für effektives Lastmanagement durch Verdreifachung der Kompressor EIN- sowie AUS-Schaltzeiten Kosten von 0,20-0,40 je Prozent Reduzierung der (Norm)Energieaufnahme