Energiespeicherung

Der Laborspeicher hat ein Volumen von ca. 34 Liter und kann mit Makrokapseln unterschiedlicher Geometrie bestückt werden. Die Strömungsverteilung im Behälter ist durch eine transparente Speicherwandung und die verbauten Strömungsleitbleche für unterschiedliche Kapseln optimierbar. Die verbaute Temperaturmesstechnik ermöglicht durch bis zu 32 Messstellen auf unterschiedlichen Ebenen detaillierte Untersuchungen zum Be- und Entladeverhalten des Speichers. Ein Thermoöl-Kreislauf erlaubt den Betrieb zwischen Umgebungstemperatur bis 150 °C bei Durchflüssen von etwa 1 bis 10 kg\min.

In diesem Teststand kann das Aufschmelzverhalten von bis zu drei mit Phasenwechselmaterial gefüllten – etwa Tennisball großen – Makrokapseln verschiedener Form untersucht werden. Neben der visuellen Beobachtung stehen auch Temperatursensoren im Wärmeträgerfluid und den Kapseln zur Verfügung. Besonderes Merkmal des Teststandes ist die Möglichkeit gleichzeitig

• die Wärmeübertragung vom Wärmeträgerfluid auf die Kapselwand,
• die Wärmeleitung in der Kapselwand und
• die Wärmetransportvorgänge im Inneren der Kapsel

analysieren zu können. Dies ist besonders wichtig bei der Validierung numerischer Modelle die zur Optimierung von Kapselgeometrien oder zur Simulation eines vollständigen Speichers eingesetzt werden. Untersuchungen an diesem Teststand sind zudem Teil des Praktikums der Vorlesung thermische Energiespeicher.

Diese Versuchsanlage im Technikumsmaßstab besteht aus der Kopplung eines Organic Rankine Cycles (ORC) (siehe Hyperlink) mit einem thermischen Festbettspeicher entwickelt von der enolcon GmbH und umgesetzt von der STORASOL GmbH an der Universität Bayreuth. Die ORCTES-Anlage dient der Untersuchung der Verstromung fluktuierenden Abwärme und der Analyse von Konzepten zur Strom-Wärme-Strom-Speicherung.

Der Speicher wird momentan mit etwa 9,4 t Sand und einer maximal Temperatur von 600 °C betrieben. Daraus ergibt sich eine Speicherkapazität von etwa 1,5 MWh. Das Funktionsprinzip des horizontal mit Luft durchströmten Speichers ist in nachstehender Abbildung für eines der insgesamt zwei Module während der Beladung zu sehen.

Mit diesem Testfeld werden Luft/Wasser-Wärmepumpen im Zusammenspiel mit thermischen Energiespeichern untersucht. Um unterschiedliche Konfigurationen und intelligente modellprädiktive Wärmepumpenregelungen bei identischen Witterungsbedingungen analysieren zu können, lassen sich zwei Heizungssysteme mit jeweils einer Wärmepumpe zeitgleich betreiben. Die Verbraucherseite wird mit Hilfe von LabVIEW und dem angeschlossenen Kaltwassernetz emuliert. Die abzuführende Wärme wird dabei über Gebäudemodelle in Abhängigkeit der momentanen Außentemperaturen sowie der gemessenen Globalstrahlung in Echtzeit berechnet und anhand von Stell- und Mischventilen geregelt, wodurch ein realitätsnahes und flexibel nutzbares Testumfeld erzeugt wird.

An dem Eis-Energiespeicher mit einem Speichervolumen von ca. 500 m³ sollen unterschiedliche Regelungsstrategien zur Nutzung gebäudeintern anfallender Abwärme für ein ca. 5000 m² großes ingenieurwissenschaftliches Forschungsgebäude erprobt werden. Um die Auswirkungen verschiedener Betriebsstrategien zu untersuchen, ist sowohl der Speicher selbst, als auch die dazugehörige Peripherie mit umfassender Messtechnik ausgestattet.

Um numerische Modelle für die Simulation von fest/flüssig-Phasenwechseln zu validieren steht ein Versuchsaufbau zu Verfügung, bei dem das einseitige Aufschmelzen eines Paraffins in würfelform mithilfe der Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht wird. Die PIV ist ein Lasermessverfahren welches es ermöglicht, das Geschwindigkeitsfeld in der flüssigen Phase mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung zu bestimmen. Darüber hinaus kann auch die exakte Position der Phasengrenze ermittelt werden.

Inhalt/Ziele:

Inhalt/Ziele:

Inhalt/Ziele:
Ziel des Projekts ist es ein Software-Tool zu entwickeln, welches Klinikleitungen und deren technischen Abteilungen ermöglicht ihren Energiebedarf für verschiedene Szenarien zu ermitteln. Dies soll mittel- bis langfristig zu einer Senkung der Energieverbräuche und den damit verbundenen Treibhausgasemissionen führen. Zunächst sollen die Hauptursachen für den Energieverbrauch in Kliniken identifiziert und gewichtet werden. Mithilfe dieser Informationen wird ein mathematische Modell erstellt, mit welchem die Energiebereitstellung simuliert, analysiert und optimiert wird.

Ergebnisse:
Das Projekt hatte zum Ziel durch ein neuartiges Speicherkonzept die Be- und Entladezyklen mobiler latenter thermischer Speicher zu verkürzen und ihre Investitionskosten zu senken. Hierfür wurden vom LTTT numerische Simulationen in verschiedenen Detailstufen, eine umfangreiche Recherche zu Phasenwechselmaterialien (engl. Phase Change Materials, PCM) für mobile Anwendungen und Stoffdatenmessungen an 12 vielversprechenden PCM durchgeführt.

Detaillierte numerische Modelle, die das Aufschmelzen und Erstarren des PCM in Profilgeometrien, welche im Speicher Verwendung finden sollen, darstellen können, wurden erstellt. Diese Modelle berücksichtigen den fest/flüssig- Phasenwechsel und während dem Aufschmelzen auch das Absinken des Feststoffs, wie es in Abbildung 1 dargestellt wird. Nach einer erfolgreichen Validierung wurden diese Modelle dafür verwendet, vereinfachte Modelle für Systemsimulationen abzuleiten. Die in Simulationen ermittelten Austrittstemperaturen des Wärmeträgerfluids (WTF) während einer Entladung eines vollständigen Speichers sind in Abbildung 2 für unterschiedliche Volumenströme des WTF dargestellt.

Simulationsergenisse des Aufschmelzvorgangs des PCM in einer Profilgeometrie (alpha3 stellt die flüssige Phase dar)

Ergebnisse:
In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekt „MALATrans“ wurde das Ziel verfolgt, das Anwendungsspektrum bisher realisierter mobiler latenter thermischer Speicher durch die Verwendung von Phasenwechselmaterialien (PCM) in makroverkapselter Form mit einer Phasenwechseltemperatur im Bereich von 70 bis 150 °C zu erweitern. Die Anwendung makroverkapselter PCM besitzt gegenüber bisherigen Speichern mit Rohrbündeln eine wesentlich größere Fläche zur Wärmeübertragung, wodurch die Be- und Entladezeiten reduziert werden können. Die höhere Phasenwechseltemperatur erlaubt die Erschließung zusätzlicher Abwärmequellen und die Bedienung weiterer Wärmesenken.Zur Auslegung von Speichern mit makroverkapselten PCM wurden neue numerische Modelle entwickelt, womit detaillierte Simulationen zum Verständnis der Phasenwechselvorgänge in einzelnen Makrokapseln durchgeführt wurden. Zur Berechnung ganzer Speicher sind diese Modelle allerdings zu rechenintensiv, weshalb hierfür auf vereinfachte numerische Modelle zurückgegriffen wurde.Die Auswahl der Speichermaterialien erfolgte anhand eigener Stoffdatenmessungen und der Prüfung der Materialkompatibilität der PCM mit verschiedenen metallischen Verkapselungswerkstoffen. Dies wurde durch Korrosionstests untersucht wurde. Für die vielversprechende Materialkombination bestehend aus dem PCM Magnesiumchlorid-Hexahydrat und dem Verkapselungswerkstoff Aluminium erfolgten Untersuchungen zu verschiedenen Verschlussmöglichkeiten und Formen der Verkapselung. Für die Zylindergeometrie wurden schließlich Versuchskapseln mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt und in einem eigens dafür aufgebauten Laborspeicher untersucht.

Die Versuche im Labormaßstab verdeutlichten die Einflüsse unterschiedlicher Eintrittstemperaturen und Massenströme auf die Leistungsfähigkeit der Speicherkapseln. Hohe Massenströme und große Temperaturdifferenzen zwischen Eintrittstemperatur und Phasenwechseltemperatur begünstigen die Wärmeübertragung und führen zu geringeren Be- und Entladezeiten des Laborspeichers. Die Beladung des Speichers sollte von oben erfolgen und die Entladung von unten. Der Vergleich mit Literaturangaben bestätigt die überdurchschnittliche Leistungsfähigkeit des makroverkapselten Speicherkonzeptes.Anhand der experimentellen Ergebnisse erfolgte die Validierung der entwickelten numerischen Modelle. Der Beladevorgang zeigt aufgrund der komplexeren Vorgänge beim Phasenwechsel merkliche Abweichungen zu den Versuchen, weshalb hier zukünftig noch Optimierungsbedarf besteht. Die Entladung des Laborspeichers kann mit besserer Übereinstimmung wiedergegeben werden.Die Wirtschaftlichkeit wäre mit den eingesetzten, in Einzelfertigung hergestellten Makrokapseln nicht darstellbar. Der Übergang zu in Massenfertigung günstig zu realisierenden Kapselformen wie beispielsweise Konservendosen stellt eine vielversprechende und interessante Alternative dar und soll in Folgeprojekten untersucht werden.

Mit zylindrischen Makrokapseln bestückter Laborspeicher mit transparenter Behälterwandung zur Untersuchung der Durchströmung

Inhalt/Ziele:
Für die Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden ist im Zusammenhang mit der Energieeinsparverordnung der auf der Wärmeleitfähigkeit beruhende U-Wert eines der wichtigsten Kriterien. Den Vorschriften werden derzeit gängige Bauweisen und Modernisierungsmaßnahmen zwar gerecht, Erfahrungen aus der Praxis zeigen jedoch, dass oft nicht alle Erwartungen an den Wärmeschutz erfüllt werden. Speziell bei Ziegelmauerwerk weichen schwere monolithische Bauweisen mit hohem Speichervermögen vermehrt leichten Ziegeln, nicht selten kombiniert mit Wärmedämmverbundsystemen mit geringer Wärmeleitfähigkeit.Deshalb gilt es, die Wärmeübertragung und Energiespeicherung detailliert zu betrachten, um unter real auftretenden instationären Bedingungen ein energetisch vorteilhaftes Verhalten von Gebäuden zu erreichen. Durch eine innovative Funktionalisierung mittels Phasenwechselmaterialien (PCM) und Untersuchung der immanenten Eigenschaften der Ziegel und Putze soll in diesem Projekt eine Steigerung der Energieeffizienz und Behaglichkeit in Gebäuden erreicht werden. Mittels Modellierung und computergestützter Simulation werden Verbesserungspotentiale identifiziert und quantifiziert. Diese Lösungsansätze werden dann zunächst im Labormaßstab untersucht, anschließend in kleinen Demonstrationsobjekten umgesetzt und unter realen Bedingungen in Feldversuchen erprobt.

Mit PCM bestückter Ziegel

Ergebnisse:
Das in den Forschungsverbund FORETA integrierte Teilprojekt verfolgte als wesentliches Ziel die Effizienzsteigerung von Luft/Wasser-Wärmepumpen, indem latente thermische Speicher in den Heizkreis und den Kältekreis der Wärmepumpe integriert werden. Die Nachteile von Luft/Wasser-Wärmepumpen, die in der notwendigen Abtauung des Verdampfers und den Temperaturschwankungen der Wärmequelle „Außenluft“ zu sehen sind, sollten hierbei möglichst weitgehend kompensiert werden. Des Weiteren sollte geprüft werden, inwieweit der Einsatz von latenten thermischen Speichern eine Reduzierung der Baugrößen von Wärmepumpenkomponenten ermöglicht. Es wurde ein Teststand mit zwei baugleichen Heizungssystemen entwickelt, aufgebaut und betrieben (Abbildung 1). Beide Heizungssysteme ermöglichen die Einbindung unterschiedli-cher latenter bzw. sensibler Pufferspeicher in Reihen- oder Parallelschaltung. Eine der Anla-gen wurde stets als Referenz betrieben, um Effizienzsteigerungen gegenüber dem herkömmlichen Heizungssystem mit sensiblem Reihenpufferspeicher quantifizieren zu können. Da die am Teststand realisierbaren Parametervariationen begrenzt sind, wurden die Heizungssysteme auch in numerischen Modellen abgebildet.

Die am Teststand gewonnenen Messdaten wurden zur Validierung des Modells herangezogen (Abbildung 2). Mittels dieses Modells wurden dann umfangreichere Parametervariationen durchgeführt. Variiert wurden die Heizkurvenendtemperatur, jeweils geeignete Phasenwechselmaterialien mit entsprechenden Schmelztemperaturen, die serielle sowie parallele Verschaltung des Pufferspeichers, die Kapazität des Speichers sowie die Größe der Wärmeübertragerflächen im Speicher. Darüber hinaus wurde auch die Regelstrategie des Wärmepumpenheizungssystems variiert. Die Untersuchungen belegen, dass ein rein bedarfsorientierter Betrieb der Wärmepumpe ineffizient ist. Mit dem Einsatz latenter thermischer Pufferspeicher kleiner Kapazität und wärmebedarfsgeführter Betriebsweise sind nur geringfügige Effizienzsteigerungen realisier-bar. Hingegen kann mit einem Übergang zu außentemperaturgeführter Regelung und dem Einsatz eines latenten thermischen Speichers mit rund zehnfacher Kapazität gegenüber dem Referenzsystem die Wärmepumpen-Arbeitszahl um rund 25 % gesteigert werden. Der an sich unerwünschte Betrieb des elektrischen Heizstabes lässt sich so nahezu vollständig vermeiden. Für die Umsetzung dieser Maßnahme ist jedoch auch eine leistungsstärkere Wärmepumpe notwendig. Diese sollte während den wärmeren Stunden jeweils den gesamten Tagesbedarf an Heizenergie bereitstellen können.

Gesamtansicht des Wärmepumpen-Teststandes

Ergebnisse:
Mit einem Paradigmenwechsel in der Energiepolitik wurde ein Prozess in Gang gesetzt, der nicht nur eine Wende hin zu erneuerbaren Energieträgern forciert, sondern auch darüber hinausgehende Auswirkungen offenbart. Neben der Steigerung der Effizienz von Energiewandlungsprozessen rückt zunehmend auch die Verminderung des Nutzenergiebedarfs ins Blickfeld. Die Beheizung von Gebäuden spielt hierbei eine wichtige Rolle. In Zukunft werden immer strenger gefasste Anforderungen nicht mehr nur durch konventionelle Maßnahmen wie Dämmung zu erfüllen sein. Die im Verbundprojekt FORGLAS entwickelten glasbasierten Materialien und Halbzeuge stellen einen innovativen Ansatz für die Bewältigung solcher Herausforderungen dar. Sie bieten zudem ein neues Betätigungsfeld für die Glasindustrie. Im hier vorgestellten Teilprojekt wurden bedarfsgerechte Simulationsmodelle zur thermodynamischen Beschreibung glasbasierter Baustoffe entwickelt, um Tools zur Einbindung in hygrothermische Simulationssoftware erweitert und schließlich in diese implementiert. Anhand von computergestützten Simulationen wurden schließlich die in anderen FORGLAS-Teilprojekten entwickelten glasbasierten Produkte bewertet und optimiert. Neben der direkten Kooperation mit einem Industrieunternehmen erfolgte auch eine projektinterne Zusammenarbeit mit beteiligten Forschungsinstituten und weitere Einrichtungen.

In Kooperation mit dem Industriepartner Nachtmann wurde ein mittels einer Beschichtung funktionalisierter Glasdachziegel entwickelt. Wie Simulationen und iterative Optimierungen zeigen, kann mit funktionalisierten Glasdachziegeln sowohl ein sommerlicher Wärmeschutz als auch eine Minderung des Heizenergiebedarfs im Winterhalbjahr erreicht werden. In Abstimmung mit FORGLAS-Teilprojekt I.2 wurden Additive für Fassadenanstriche unter-sucht. Die Modellierung und Simulation zeigt, dass Additive die Reflexion solarer Strahlung steigern können. Vor allem für den sommerlichen Wärmeschutz in warmen Klimaten ist dieser Effekt von Nutzen, da deutliche Einsparungen im Klimatisierungsbedarf erzielt werden können. Als weiterer Beitrag für das Teilprojekt I.2 wurden im IR-Spektrum reflektierende Flakes untersucht. Diese Flakes sollen Innenanstrichen zugemischt werden und die „Behaglichkeit“ in Innenräumen erhöhen. Anhand von Behaglichkeitsmodellen und deren Anpassung gelangte dieses Teilprojekt über die hygrothermische Simulation zu bemerkenswerten Ergebnissen. Der positive Einfluss reflektierter Infrarotstrahlung auf den Menschen lässt eine Absenkung der Raumtemperatur ohne Beeinträchtigung der Behaglichkeit zu. Hieraus resultiert ein geringerer Heizenergieverbrauch. Auch in der Zusammenarbeit mit Teilprojekt I.3 war dieses Thema von Bedeutung. Untersucht wurde dort der Einsatz poröser Glasflakes zur Regulierung des Feuchtehaushalts (Pufferung von Spitzen und Verlaufsglättung) in hochgedämmten Gebäuden. Dadurch steigt die Behaglichkeit, das Risiko der Schimmelbildung sinkt.

Beschichteter Glasdachziegel bei flachem Einfallswinkel

Ergebnisse:
Die Verwertung nicht genutzter Abwärme, welche bei vielfältigen Prozessen in Industrie und Gewerbe anfällt, stellt einen wesentlichen Ansatzpunkt zur weiteren Verbesserung der Energieeffizienz und damit zur Senkung der Emissionen klimarelevanter Gase, zur Senkung von Produktionskosten und zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit dar. Einer direkten innerbetrieblichen Nutzung von Abwärme als thermische Energie wie auch einer leitungsgebundenen Wärmeversorgung externer Abnehmer sind jedoch oftmals enge Grenzen gesetzt.

Wesentliches Ziel des Pilotprojektes war es, Konzepte zu einer intensiveren Nutzung von Abwärme zu entwickeln und die Umsetzbarkeit solcher Konzepte in der Region Oberfranken zu prüfen. Im Vordergrund standen dabei mobile thermische Speichersysteme für den Transport thermischer Energie sowie effiziente Technologien zur Stromerzeugung aus Abwärme.

Zunächst wurde verschiedene Speicherarten analysiert und hinsichtlich ihrer Eignung für mobile Anwendungen bewertet. Latente thermische Speicher wurden dabei als vielverspre-chendste Variante identifiziert. Das in bereits marktverfügbaren mobilen Speichern eingesetzte Natriumacetat-Trihydrat kann thermische Energie aber lediglich bei niedriger Temperatur abgeben, wodurch der Kreis an möglichen Wärmeabnehmern stark eingegrenzt wird. Diesbezüglich wurde ein vordringlicher Bedarf zur Entwicklung weiterer Speichermaterialien mit höherer Schmelztemperatur abgeleitet und ein erstes Screening durchgeführt.

Für marktverfügbare Speicher mit rekuperativer Wärmeübertragung wurden Ganglinien der Be- und Entladeleistung ausgewertet sowie Wärmeverluste abgeschätzt. Für makroverkapselte Speichermaterialien und Direktkontaktspeicher (siehe Abbildungen 1 und 2) wurden jeweils Testanlagen im Labormaßstab aufgebaut und erprobt. Den erzielten Ergebnissen zufolge wurden makroverkapselte Phasenwechselmaterialien als aussichtsreichste Wärmeübertragungsvariante identifiziert.

In Bezug auf den Speichertransport wurden neben verkehrsrechtlichen, technischen und logistischen Fragestellungen insbesondere ökonomische Aspekte betrachtet. Hierbei zeigte sich der wesentliche Einfluss der Speicherkapazität auf die Wirtschaftlichkeit, wobei für eine betriebs- und kostenoptimierte Wärmeversorgung die vollständige Entladung eines Speichers beim Wärmeabnehmer ggf. gar nicht angestrebt werden sollte. Am Beispiel der Nachverstromung von ungenutzter Abwärme aus BHKWs wurden technische Konzepte für die Integration der ORC-Technologie auf unterschiedlichen Temperaturniveaus entwickelt und deren ökonomische Vor- und Nachteile herausgearbeitet. Darüber hinaus wurden die mit dem Einsatz binärer Fluidgemische einhergehenden Möglichkeiten zur Steigerung des ORC-Wirkungsgrades bei der Verstromung von Niedertemperatur-Wärme untersucht.

Eigene Erhebungen zur Identifizierung geeigneter Abwärmelieferanten und -abnehmer im Fördergebiet sowie Auswertungen der im Energieatlas ausgewiesenen Daten zeigten, dass zwar eine Reihe von Betrieben prinzipiell als Abwärmequelle in Frage kommen, für den Einsatz marktverfügbarer Natriumacetat-Trihydrat-Speicher jedoch kaum geeignete Wärmeabnehmer zu finden sind. Für zwei Fallbeispiele wurden detaillierte Abwärmenutzungsmöglichkeiten ausgearbeitet. In beiden Fällen lässt sich allerdings kein unmittelbares Projekt zum Einsatz mobiler Speicher initiieren.

Dies unterstreicht letztlich den Bedarf zur Entwicklung thermischer Speicher mit höheren Schmelztemperaturen sowie energie- und kosteneffizienter ORC-Prozesse für die Abwärme-Verstromung. Basierend auf den hier durchgeführten Arbeiten und den dabei gewonnenen Erkenntnissen wurden inzwischen neue Projekte zu diesen Themenbereichen erfolgreich akquiriert.

Phasenwechselmaterialien in zylinderförmigen Makrokapseln