Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden ggmbh Vakuum-Flüssigeis-Technologie Erzeugung und Anwendung von Flüssigeis zum effizienten Kühlen, Speichern und Heizen
Flüssigeiserzeugung was ist das? Verfahren zur Eiserzeugung durch direkte Verdampfung des Kältemittels/Kälteträgers Wasser im Grobvakuum Verdampfung bei ca. 0 C und 6 mbar Absolutdruck (Tripelpunkt) Verdampfung mit geringer Temperaturdifferenz Erzeugung eines binären Gemisches Wasser/Wassereis Phasendiagramm von Wasser (Quelle: https://portal.uni-freiburg.de/fkchemie/lehre/grundvorlesung/uebungen/stunde6/pdwasser/view) Vakuum-Flüssigeis-Technologie 2
Eiserzeugung durch Direktverdampfung Verdampfungsenthalpie (6,1 mbar; 0,01 C) h V = 2500 kj/kg Erstarrungs-/Schmelzenthalpie h fus = 333,5 kj/kg Vakuum-Flüssigeis-Technologie 3
Aufbau einer Vakuum-Flüssigeis Anlage Vakuum-Flüssigeis-Technologie 4
Flüssigeis-Kältespeicher Vakuum-Flüssigeis-Technologie 5
Verfahrensvergleich Flüssigeiserzeugung Kratzeis-Verfahren Direktverdampfung Niedrige Verdampfungstemperatur = geringe Effizienz Hoher mechanischer Verschleiß Additive Eisbildung an Wasseroberfläche Höchstmögliche Verdampfungstemperatur Kein Kratzen = kein Verschleiß Additivfreier Betrieb möglich Vakuum-Flüssigeis-Technologie 6
Eisspeicher als Energiespeicher I Eisspeichersysteme wofür? Kühlaufgaben für unterschiedlichste Anwendungen Klimatisierung, Nahrungsmittelwirtschaft, industrielle Prozesse Kälteanlagen meist elektrisch angetrieben Kältetechnik = 14 % der Elektroenergie in Deutschland Kühlung bestimmt Elektroenergiebedarf in warmen Regionen südliches China: 40 60 % des Elektroenergiebedarfs für Klimaanlagen Ausgeprägte elektrische Spitzenlasten durch Klimakälteerzeugung Ohne Speicher: Spitzenlast bestimmt Anlagendimensionierung 28.01.2015 Vakuum-Eisspeicher -Technologie 7
Eisspeicher als Energiespeicher II Eisspeicher zur zeitlichen Entkopplung von Angebot und Bedarf (Lastmanagement) Regenerative Energien erfordern Energiespeicher Direkte Speicherung der Nutzenergie (Kälte) mit Eisspeichern (Alternative zu Batteriespeichern) Nutzung von Tag-Nacht-Temperaturdifferenzen ermöglicht höhere Effizienz als bei on-time Kälteerzeugung; geringere Kondensationstemperatur im Nacht- Betrieb Speicherwirkungsgrad > 100 % Durchschnittliche Tageshöchst-und tiefsttemperaturenim Jahresverlauf am Standort Abu Dhabi Quelle: wetterkontor.de Vakuum-Flüssigeis-Technologie 8
Vergleich von Kältespeichertechnologien Kaltwasserspeicher Nutzt Temperaturdifferenz (6/12 C -> 25 kj/kg ~ 7 kwh/m³) Geringe Temperaturdifferenz nutzbar Benötigt große Speichervolumina Thermische Schichtung Eisspeicher Nutzt latente Wärme (Phasenübergang) Wasser/Eis (333 kj/kg ~ 93 kwh/m³) Hohe Speicherdichte Schmelztemperatur nahe der Nutztemperatur T.Urbaneck Calmac Vakuum-Flüssigeis-Technologie 9
Vergleich von Eisspeicher-Technologien Konv. Eisspeicher (Eisbänke) niedrige Verdampfungstemperatur benötigt Wärmeübertrager zwischen Kältemittel/-träger und Eis mit zunehmender Eisdicke steigt Temperaturdifferenz für hohe Entladeleistung große Wärmeübertrager notwendig Vakuum-Flüssigeis einzige Eisspeichertechnologie mit Verdampfungstemperatur nahe der Eiswassertemperatur hohe Entladeleistung bei geringer Ladeleistung möglich Speicher teilbe- und entladbar Stuttgart University Temperaturprofil im Festeisspeicher Vakuum-Flüssigeis-Technologie 10
Vakuumeis Pilot- und Demonstrationsanlage Vakuumeis-Kältespeicher an der Westsächsischen Hochschule Zwickau Aufgabe:Pufferspeicher für das Campuskältenetz und Experimentalanlage zur studentischen Ausbildung Anlagenparameter Verdampferkälteleistung: 50 kw (Ladeleistung) Speicherkapazität: 350 kwh Speichervolumen: 6 m³ Entladeleistung: 100 kw Im Auftrag des Vakuum-Flüssigeis-Technologie 11
Effizienzbetrachtungen Spezif. Strombedar rf Kälteerzeugung [kw el /kw 0 ] 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Vakuumeis konventionelle Kälteanlage Vakuum-Flüssigeis-Technologie 12
Heizen mit Vakuum-Flüssigeis Nutzung natürlicher oder künstlicher Wasserreservoire als Wärmequelle Vorteile Konstante Temperatur der Wärmequelle Höhere Wärmequellentemperatur als bei Luftwärmepumpen Vermeidung von Schallproblemen von Luftwärmepumpen Geringere Investitionskosten gegenüber Erdwärme, keine Regenerierungsprobleme Vakuum-Flüssigeis-Technologie 13
Vorteile des Vakuumeisspeichersystems Energieeffizient durch Direktverdampfung bei -1 C Eisentstehung auf freier, bewegter Wasseroberfläche, kein Kratzen Effizienter als konventionelle, solide Eisspeicher und Kratzeiserzeuger Effizienzsteigerung durch Temperaturunterschied Tag/Nacht Vergrößerung der Spitzenleistung von Kälteanlagen Größere Entlade- als Ladeleistung möglich Flexible Anpassung der Speicherkapazität unabhängig von Ladeund Entladeleistung Umweltfreundliches und preiswertes Speichermedium ohne Degradationsgefahr Speichermedium/Kälteträger ist pumpfähig Andere Applikationen möglich, z.b. Wärmepumpen/Heizen Direktverdampfung problematischer Wärmequellen (Grubenwasser, industrielle Wässer wie Papierindustrie) Vakuum-Flüssigeis-Technologie 14
Anwendungen der Vakuumeistechnologie Kühlung industrieller Prozesse, Lebensmittelverarbeitung und lagerung, Batchprozesse, 0 10 C (Brauereien, Molkereien, Bäckereien, Käse- und Wurstreifung, Obst- und Gemüselager, Luftentfeuchtung) Kältespeicherung in der Gebäudeklimatisierung Kapazitätserweiterung von Nah- und Fernkältenetzen (district cooling) - als dezentralisierter Speicher für höhere Spitzenlast - als zentraler Speicher, z.b. zur Nutzung von Schwachlastzeiten oder regenerativer Energien Wärmepumpenprozesse mit Nutzung (Eisbildung) natürlicher oder künstlicher Wasserreservoire (konstante Quelltemperatur, höhere Effizienz als Luft WP) doppelte Nutzung der WP zum Heizen und Kühlen saisonale Speicherung Leistungsbereich: 50 500 kw Eiserzeugungsleistung pro Modul Vakuum-Flüssigeis-Technologie 15
Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbh Bertolt-Brecht-Allee 20, 01309 Dresden Dipl.-Ing. Marcus Honke Tel.: +49 351 / 4081-703 E-Mail: marcus.honke@ilkdresden.de