Thermochemische Energieversorgungsnetzwerke

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Frieder Braun
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1 Thermochemische Energieversorgungsnetzwerke Claudio Koller, Dr.-Ing. Thomas Bergmann, Serena Danesi, ZHAW Prof. Dr.-Ing. habil. Dietrich Hebecker, MLU Thermodynamik-Kolloquim Sektion Energiesysteme 28. September 2017, Technische Universität Dresden

2 Agenda Informationen zum Projekt H-DisNet Wärmetransformation - vom geschlossenen System zum Netzwerk Anwendungsfelder Pilotanlage zur Klimatisierung von Gewächshäusern Anforderungen an die Stoffsysteme 2

H-Dis Demonstrationsprojekt Klimatisierung von Gewächshäusern Regeneration an einer Biogasanlage Meyer Ochideen in Wangen bei Dübendorf

3 H-Dis Demonstrationsprojekt Klimatisierung von Gewächshäusern Regeneration an einer Biogasanlage Meyer Ochideen in Wangen bei Dübendorf (CH) Sonnenhof in Marthalen (CH) Funded by the European Union s Horizon 2020 research and innovation Programme under grant agreement

H-Dis Demonstrationsprojekt Biogas-BHKW 150 kw el

641m 2 Solltemperatur 20 C Sollfeuchte φ = 60-70%

4 H-Dis Demonstrationsprojekt Biogas-BHKW 150 kw el Abwärme (Abgastemp.) 510 C Wärmenetz 90 C Exergie soll genutzt werden um ein chemisches Potential zu schaffen Gewächshaus 641m 2 Solltemperatur 20 C Sollfeuchte φ = 60-70% Chemisches Potential soll genutzt werden um ganzjährig optimale Klimabedingungen zu schaffen 4

5 Thermochemische Netze Absorptionswärmepumpenprozess: Lithiumbromid ξ[-] K K Kondensator D Desorber V Verdampfer A Absorber 5

6 Thermochemische Netze Absorptionswärmepumpenprozess: Synproportionierungsprozess K K Kondensator D Desorber T AN T MT V Verdampfer A Absorber T U 6

7 Thermochemische Netze Absorptionswärmepumpenprozess im Netzwerk (zeitlich und örtlich getrennt): Disproportionierung Disproportionierung Synproportionierung T CP K K Kondensator D Desorber T AN Arbeitsmittel (Wasser) V Verdampfer Netzwerk A Absorber T MT T U Synproportionierung Desorption mit Wärmenutzung Absorption 7

8 Thermochemische Netze Schaltungsvarianten: Disproportionierung Disproportionierung Synproportionierung T CP K K Kondensator D Desorber T AN Arbeitsmittel (Wasser) Netzwerk T MT V Verdampfer A Absorber T U feuchte Luft trockene Luft trockene Luft feuchte Luft Synproportionierung Desorption ohne Wärmenutzung (Bsp. Verdunstungsprozess) Absorption (Bsp. Luftentfeuchtung) 8

9 Thermochemische Netze Schaltungsvarianten: Disproportionierung Disproportionierung Synproportionierung T CP K K Kondensator D Desorber T AN Arbeitsmittel (Wasser) Netzwerk V Verdampfer A Absorber T U T K Q K feuchte Luft Q K trockene Luft Synproportionierung Desorption ohne Wärmenutzung (Bsp. Verdunstungsprozess) Absorption Kältenutzung 9

10 Thermochemische Netze Schaltungsvarianten: (Absorptionswärmetransformator) Synproportionierung Disproportionierung Synproportionierung T CP V K Verdampfer A Absorber T N T AN Arbeitsmittel (Wasser) Netzwerk K Kondensator D Desorber T U Gesamtprozess: Disproportionierung feuchte Luft trockene Luft Disproportionierung Desorption ohne Wärmenutzung (z.b. Verdunstungsprozess) Absorption Wärmenutzung bei hoher Temperatur 10

11 Thermochemische Netze Kombination verschiedener Schaltungen innerhalb eines Netzwerkes: Q HT HT-Wärme NT-Wärme Umgebung Kälte T Q HT T T Q K feuchte Luft T trockene Luft trockene Luft feuchte Luft T Verdünnte Salzlösung Konzentrierte Salzlösung 11

12 Demonstrationsprojekt Calciumchlorid Absorption konditionierte Luft Desorption feuchte warme Luft feuchte Luft Umgebungsluft 12

13 Demonstrationsprojekt Absorption Calciumchlorid 1 3 Absorption konditionierte Luft feuchte Luft

14 Demonstrationsprojekt Desorption Calciumchlorid feuchte warme Luft 2 Desorption Umgebungsluft

15 Demonstrationsprojekt Calciumchlorid Absorption konditionierte Luft Desorption feuchte warme Luft feuchte Luft Umgebungsluft 15

16 Demonstrationsprojekt Absorption konditionierte Luft Desorption feuchte warme Luft feuchte Luft Umgebungsluft 16

17 Bewertung von Stoffsystemen Nutzen: Wärme oder Kälte aus dem Absorptionsprozess = m Wasser Δh v Vernachlässigung der Mischungseffekte Vernachlässigung der Enthalpieänderung der Luft Aufwand: Antriebswärme Transportaufwand proportional der Transportmenge Bewertungsgrösse: k 1 = = ξ h v m Lös ξ 2 [kj/kg] beschreibt die je kg Lösung abgegebene Wärme bei isothermer Prozessführung k 2 = k 1 = ξ H v ξ 2 [-] entspricht dem reziproken minimalen Lösungsumlauf Disproportionierung K K Kondensator Arbeitsmittel (Wasser) V Verdampfer D Desorber Netzwerk A Absorber Synproportionierung 17

18 Kennzahl eines Gewächshauses Vergleich der Kennzahlen am Anwendungsfall Gewächshaus k 1,AWP : Vergleichswert eines adiabaten Absorbers (Δξ=0.01) H v ξ 2 Stoffsystem k 1 [kj/kg] k 2 [-] rel. Fehler [%] k 1,AWP [kj/kg] k 1 [kj/kg] k 2 [-] rel. Fehler [%] k 1,AWP [kj/kg] RB (ϑ [ C],φ [%]) 20, 70 20,70 20,70 20,70 30,60 30,60 30,60 30,60 MgCl 2 H 2 O CaCl 2 H 2 O LiCl H 2 O LiBr H 2 O Ca(NO 3 ) 2 H 2 O k1 MgCl2 CaCl2 LiCl LiBr Ca(NO3) k1,awp MgCl2 CaCl2 LiCl LiBr Ca(NO3)2 18

19 Schlussfolgerungen Thermochemische Netze erschließen ein Potenzial der Effektivitätssteigerung indem sie Abwärmequellen mit Nutzungsmöglichkeiten verbindet Durch Transport und Speicherung chemischen Potenzials gewinnt die Wärmetransformation ein zusätzliches Anwendungsfeld Die Aufspaltung von Wärmepumpen und transformatoren in Teilprozesse verdeutlicht die Allgemeingültigkeit der Kennzeichnung der Wärmetransformation als Syn- und Disproportionierungsprozesse Thermochemische Netze stellen an Arbeitsstoffsysteme hohe Anforderungen bezüglich Lösungsfeld und Transporteigenschaften Stoffsysteme die den Anforderungen des Lösungsfeld und den Transporteigenschaften entsprechen neigen meist zu starker Korrosion (insbesondere bei hohen Temperaturen) -> weitere Stoffsysteme müssen untersucht werden 19

20 Schlussfolgerungen Thermochemische Netze verfügen über deutlich grössere Entgasungsbreiten als dies bei ortsgebundenen Systemen der Fall ist. Thermochemische Netze sollen ein breites Anwendungsfeld abdecken, insbesondere ist dies für Klimatisierungsprozesse eine Herausforderung Die Lage der verdünnten Lösung im Lösungsfeld ist von grosser Bedeutung Die hohen Viskositäten führen zu hohen Druckverlusten in leitungsgebundenen Systemen. Zu erwarten ist ein zufriedenstellendes Nutzen/Aufwand-Verhältnis erst bei grossen Volumenströmen. Die Biologie in Gewächshäusern reagiert sensibel auf unerwünschte Stoffe weshalb auf gut verträgliche Salze zurückzugreifen ist Werden kleine Leistungen umgesetzt, kann der mobile Transport Vorteile bieten

21 Für weitere Informationen: Claudio Koller ZHAW Zürcher Hochschule Technikumstrasse 9, Postfach CH-8401 Winterthur Tel.: +41 (0)

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