Bevor in Abschnitt 17.3 im Detail auf die ISSP ein-gegangen wird, werden nachfolgend die wichtigsten Arten und Grundsätze der Energiespeicherung be-schrieben. Es werden nur Energiespeicher mit pumpbaren Energieträgermedien betrachtet.
Es kann zwischen zwei physikalischen Prinzipien unterschieden werden:
- Latentwärmespeicher mit sogenannten fest/flüssig Latentwärmematerialien bzw.
Phase Change Materials PCMs (z.B. Pa-raffine, Wasser) oder flüssig/gasförmig PCMs (z.B. Wasser), siehe Abschnitt 17.2.1
- Sensible Wärmespeicher mit flüssigen oder festen Materialien, siehe Abschnitt 17.2.2
Latentwärmespeicher
Latentwärmespeicher werden primär eingesetzt für die Speicherung von Wärme-/Kälteenergie inner-halb eines engen und konstanten Temperaturbe-reichs (von wenigen K) und/oder bei einem Bedarf nach hoher Energiespeicherdichte.
Nachfolgend sind beispielhaft drei Varianten der La-tentwärmespeicher dargestellt.
Der Eiswasserspeicher in Abbildung 17-1 a) ist der bekannteste Vertreter der fest/flüssig PCM-Spei-cher. Wasser ist dabei gleichzeitig Energiespeicher- und Energieträgermedium. Es wird im Eiswasser-speicher mittels Wasser-Glykolmischung oder Käl-temittel (Wärmesenke) gefroren, wobei im Speicher immer auch flüssiges Wasser mit 0 °C verbleibt.
Dieses wird extern zirkuliert, über einen abzuküh-lenden Strom (Wärmequelle) erwärmt und im Eis-wasserspeicher wieder gekühlt. Dank der Ausnut-zung des Phasenübergangs ist die Energiespei-cherdichte in kWh/m3 eines Eiswasserspeichers rund 40 mal höher als diejeinige eines Kaltwasser-speichers mit einer Temperaturspreizung von 2 K (zwischen T1 und T3).
Abbildung b) zeigt einen Energiespeicher mit so-genannen Phase Change Dispersionen (PCD): Fein im Wasser verteilte Latentwärmematerialien wie z.B. Paraffine, welche beim Schmelzen Wärme auf-nehmen und beim Erstarren Wärme abgeben. Die Energiespeicherung funktioniert wie bei einem kon-ventionellen Wasserspeicher, hat durch die Latent-wärmematerialien aber eine höhere Energiespei-cherdichte bei einer bestimmten Phasenübergangs-temperatur.
Abbildung c) zeigt einen Speicher mit „PCM-Akkus“
(ähnlich „Eis-Akkus“ im Tiefkühler), welche mit ei-nem fest/flüssig PCM gefüllt sind. Im Gegensatz zu b) können dabei Energiespeicher und Lade-/Entla-deleistung nicht unabhängig voneinander dimensio-niert werden. Dadurch wird insbesondere das Er-starren des PCM mit hoher Leistung häufig zur Her-ausforderung.
In Abbildung 17-1 sind jeweils rechts beispielhaft die Temperatur-Enthalpieprofile von Wärmequelle, Wärmesenke und Zwischenkreisläufen dargestellt.
Bei a) und b) entspricht die Temperatur im Zwi-schenkreislauf annähernd der Temperatur der Pha-senänderung. Bei Variante c) ist zusätzliches trei-bendes Temperaturgefälle zwischen externem Zwi-schenkreislauf und Phasenänderungstemperatur des PCM notwendig.
Anwendungsschwierigkeiten und Forschungs-schwerpunkte bei PCMs sind u.a. Unterkühlung, Wärmeleitfähigkeit des Speichermaterials, Volu-menänderung bei Phasenwechsel sowie Korrosion.
Der bekannteste Vertreter der flüssig/gasförmig PCMs ist der Ruths-Dampfspeicher. Ein
wärmeiso-lierter Stahlbehälter ist zu 90-95% mit Wasser ge-füllt und wird mit Frisch- oder Abdampf erhitzt, wodurch Druck und Temperatur steigen. Wird Was-serdampf entnommen, sinkt der Druck und es kommt automatisch zu Nachverdampfung, bis sich Druck und Temperatur wieder im Gleichgewicht be-finden. Zwischen z.B. 12 bar(a) (bzw. ca. 188 °C) und 5 bar(a) (bzw. ca. 152 °C) können pro m3 Heiss-wasser knapp 60 kg Dampf erzeugt werden. Die Energiespeicherdichte von Dampfspeichern ist etwa gleich gross wie diejenige von Wasserspei-chern (es wird faktisch ja auch Heisswasser unter Druck gespeichert).
Sensible Wärmespeicher
Die sensible Wärmespeicherung ist die am weites-ten verbreitete Art der Wärmespeicherung. Bei gleichbleibendem Volumen ist die Wärmekapazität von sensiblen Wärmespeichern proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der heissen und kal-ten Seite des Speichers.
Nachfolgend werden nur sensible Wärmespeicher mit flüssigem Energiespeichermedium betrachtet, welches gleichzeitig auch als Energieträgermedium dient.
Sensible Wärmespeicher sind geeignet für Wärme-speicherung innerhalb einer grösseren Temperatur-differenz (z.B. 10 K und mehr).
Es gibt zwei Hauptarten der sensiblen Wärmespei-cherung:
- Geschlossene Speicher mit oder ohne Schichtung
- Gegen Atmosphäre offene Speicher mit fixer Temperatur und variabler Masse (sogenannte FTVM-Speicher)
Geschlossene Speicher
Zum besseren Verständnis der Eigenheiten von verschiedenen Speichervarianten wird nachfolgend ein bespielhaftes Wärmerückgewinnungsszenario besprochen (Abbildung 17-2). In allen Varianten sei ein Druckluftkompressor die Wärmequelle und ein aufzuheizender Produktstrom von 20 auf 45°C die Wärmesenke. Der Druckluftkompressor kann 100 % seiner Abwärme auf 60 °C an den Rückkühl-kreislauf abgeben, sofern die Vorlauftemperatur zum Kompressor maximal 35 °C betrage. Bei höhe-ren Temperatuhöhe-ren erfolgt automatisch eine zusätz-liche Luftrückkühlung. Die Temperatur zum Start-zeitpunkt der Ladung (Wärmeeintrag) sei in allen Speichern uniform 30 °C, der Speicher sei damit vollständig entladen. Es finde zuerst eine „halbe“
Speicherladung statt (links), anschliessend eine
„viertel“ Entladung (Mitte) und danach erneut eine
„viertel“ Speicherladung (rechts). „Halb“ bzw. „vier-tel“ heisst dabei, dass die Zeit/Energie/Leistung the-oretisch für 50% bzw. 25% einer vollständigen La-dung/Entladung des Speichers reicht. Die Farben in den Speichern entsprechen den Temperaturen nach der jeweiligen Ladung/Entladung.
Abb. 17-1: Vereinfachte Darstellung von Latentwär-mespeichern mit ZKs. a) Eiswasserspeicher b) Spei-cher mit „Phase Change Dispersion“ c) SpeiSpei-cher mit
„PCM-Akkus“
Die Reihenfolge der Varianten entspricht dem Wär-merückgewinnungs- bzw. Wärmespeicherpotential bei gegebenem Speichervolumen.
In den Varianten 1), 2) und und 3a) sind Druckluft-Rückkühlung und WRG-Speicher hydraulisch von-einander getrennt, die Varianten eignen sich damit
Abb. 17-2: Darstellung von verschiedene Speichervarianten zur Nutzung von Druckluft-Abwärme für die Erwärmung eines Produktestroms. Links: Temperaturprofile im Speicher nach einer „halben“ Ladung. Mitte: Temperaturprofile im Speicher nach einer darauffolgenden „viertel“ Entladung. Rechts: Temperaturprofile im Speicher nach einer darauffol-genden „viertel“ Ladung.
u.a. für eine Brauchwarmwassererwärmung, wel-che in 3b) nur mit einem Siwel-cherheitswärmetauswel-cher mit Sperrmedium möglich wäre.
Bei Variante 1) wird der gesamte Speicher mittels Rohrbündelwärmeübertrager im unteren Bereich des Speichers geladen. Durch das Aufsteigen des warmen Wassers im Speicher kommt es rasch zu einer vollständigen Durchmischung („Rührspei-cher“), was exergetisch und in der Folge auch energetisch ungünstig ist. Im Beispiel in Abbil-dung 1) hat der Speicher nach etwa halber LaAbbil-dung eine uniforme Temperatur von ca. 45 °C. Dies hat zwei entscheidende Nachteile: Zum einen wird da-mit ein Teil der Druckluft-Abwärme über den Rück-kühler abgeführt und die WRG-Leistung sinkt24. Zum anderen steht die gespeicherte Abwärme auf lediglich ca. 45°C zur Verfügung. Damit kann die Wärmesenke nicht auf Solltemperatur von 45°C er-wärmt werden und das Wärmerückgewinnungspo-tential wird reduziert. Je nach Lade- und Entla-derhythmus stellen sich im Speicher unterschiedli-che Temperaturen ein (siehe Abbildung 1) rechts), welche eine konstante Erwärmung des Produkt-stroms erschweren.
In Variante 2) wird der Speicher mittels innenlie-gendem Wärmeübertrager (über die gesamte Spei-cherhöhe) geladen. Damit wird zwar im oberen Speicherbereich eine hohe Ladetemperatur er-reicht, diese reduziert sich aber nach unten kontinu-ierlich und es resultiert ein linearer Temperaturver-lauf. Die Produkterwärmung von 20 auf 45°C ist da-mit zu Beginn der Speicherentladung möglich, die Vorlauftemperatur aus dem Speicher reduziert sich dann aber kontinuierlich und fällt nach kurzer Zeit unter 45°C, womit eine vollständige Produkterwär-mung nicht mehr gewährleistet ist.
Durch die direkte Kopplung von Wärmeübertrager und Speicher gemäss den Varianten 1) und 2) wird zudem das Speichersystem und dessen Regelung unflexibel, was vor allem bei ständig wechselnden Anforderungen in der Industrie ein Nachteil ist.
24 Wäre anstelle des Druckluftkompressors z.T. eine Käl-temaschine die Abwärmequelle, könnte eine höhere
Die Varianten 3a) und 3b) beschreiben einen Schichtspeicher, wobei die Wärmeübertragung mittels externem Wärmeübertrager in einem Zwi-schenkreis (ZK) erfolgt. Der externe Wärmeüber-trager kann im Gegenstrom gefahren werden und ermöglicht so eine maximale Ausnützung des trei-benden Temperaturgefälles. Damit kann bei der Speicherladung nach 3) eine konstante und hohe Vorlauftemperatur in den Speicher gewährleistet werden. Gleichzeitig wird im unteren Bereich des Speichers die Temperatur von 30°C gehalten. Auf-grund der Temperaturunterschiede entsteht ein ge-schichteter Speicher mit Thermokline. Dies hat im Anschauungsbeispiel zwei entscheidende Vorteile:
Zum einen kann der Druckluftkompressor konstant mit tiefstmöglicher Temperatur rückgekühlt werden (effizente Rückkühlung) und die Rückkühlung kann auch dann noch erfolgen, wenn der Schichtspeicher schon fast geladen ist (maximaler Energieeintrag in den Speicher). Zum anderen steht die gesamte Ab-wärme jeweils auf maximalem Temperaturniveau zur Verfügung und die 45°C Produkttempertatur im Beispiel können zu jeder Zeit erreicht werden.
Nachteilig ist der höhere Regelaufwand in den ZKs.
Voraussetzung für einen funktionierenden Betrieb
Rückkühltemperatur gar deren Effizienz beeinträchtigen (höhere Kondensationstemperatur wäre nötig).
Wichtiger Grundsatz für effiziente und flexible Energiespeicher: keine Wärmeübertrager im Speicher!
Vorteile Schichtspeicher und externe Wärme-übertrager im Vergleich zu Speichern mit innen-liegenden Wärmeübertragern:
- Maximale Ausnützung der verfügbaren Temperaturgradienten
- Höhere Leistungen bei gleicher Wärme-übertragerfläche erreichbar
- Höhere Energiespeicherkapazität - Höheres
Wärmerückgewinnungspoten-tial
- Konstante Betriebstemperaturen bei be-liebigem Ladezustand
- Gleichzeitige Nutzung von beliebig vie-len Wärmequelvie-len und –senken möglich - Flexibilität bei ändernden Anforderungen
an den Speicher
ist eine gute Schichtung im Speicher, worauf in Ab-schnitt 17.2.3 eingegangen wird.
In der Software PinCH 3.0 ist aufgrund obiger Vor-teile eine Analyse von Schichtspeichern gemäss 3a) oder 3b) möglich.
Die nachfolgende Abbildung 17-3 zeigt einen Schichtspeicher analog zu Variante 3b), diesmal mit mehreren Wärmequellen und Wärmesenken. Wich-tiges Detail: Da die Wärmequellen und Wärmesen-ken in der Regel nicht gleichzeitig auftreten, können sie NICHT in Serie geschaltet werden. Sie werden parallel an den Speicher angeschlossen und es muss jeder Strom, welcher zum Laden/Entladen des Speichers beiträgt, den ZK von Tlow auf Thigh er-wärmen oder von Thigh auf Tlow kühlen können25. Diese Voraussetzung ist für das weitere Verständ-nis der Platzierung von Speichern wichtig!
FTVM-Speicher
Gegen Atmosphäre offene Speicher sind vor allem für Rückkühlanwendungen bekannt: Warmes Kühl-wasser wird in einem Becken mit Thigh gespeichert, anschliessend über einen Kühlturm gekühlt und in ein zweites Becken mit Tlow geleitet, wo es wieder für die verschiedenen Kühlanforderungen zur Ver-fügung steht.
Offene Speicher können auch als klassische Wär-merückgewinnungsspeicher genutzt werden: So
25 Es gibt einige Ausnahmen, der ZK kann z.B. durch Nachwärmen oder Nachkühlen auf Solltemperatur ge-bracht werden.
wird z.B. in Brauereien das Wasser mit Tlow wie in Abbildung 17-4 dargestellt zur Kühlung von Wärme-quellen und das Wasser mit Thigh zur Erwärmung von Wärmesenken verwendet. Durch die Ungleich-zeitigkeit von Laden und Entladen ist der Füllstand in den Becken variabel. Man spricht darum auch von Speichern mit fixer Temperatur und variabler Masse oder FTVM-Speichern.
FTVM-Speicher benötigen im Vergleich zu Schicht-speichern ein grösseres Speichervolumen, sie las-sen sich aber einfacher betreiben und sind für sehr grosse Umwälzmengen und/oder kleine Tempera-turhübe geeignet. Da sie unter atmosphärischen Bedingungen betrieben werden, sind Speichertem-peraturen über 100 °C zumindest mit Wasser nicht möglich.
Für weiterführende Details sei an dieser Stelle auf [12] verwiesen.
Laden/Entladen von Schichtspeichern bei variablen Bedingungen
Wie in obigem Abschnitt erläutert, wird für einen ef-fizienten Energiespeicher in der Industrie ein Schichtspeicher mit möglichst exakter Schichtung angestrebt. Die Eintrittstemperaturen in die jeweili-gen Speicherschichten sollen dabei soweit möglich Abb. 17-3: Vereinfachte Darstellung eines
Schicht-speichers mit mehreren parallelen Wärmequellen und Senken.
Abb. 17-4: Vereinfachte Darstellung zweier Speicher mit fixer Temperatur und variabler Masse (FTVM-Speicher).
konstant gehalten werden. Dies sollte in erster Pri-orität regeltechnisch über die ZKs und Wärmeüber-trager erfolgen (z.B. mit drehzahlgeregelten Pum-pen und BeimischgrupPum-pen).
Es ist jedoch nicht immer möglich, variable Be-triebsbedingungen regeltechnisch auszugleichen.
Verschiedene Hilfsmittel unterstützen eine tempe-raturgerechte Ladung/Entladung möglichst ohne Durchmischung. Sie sind in der folgenden Abbil-dung 17-5 beispielhaft erläutert und werden in der Regel nicht alle gemeinsam eingesetzt.
Ladelanze für automatisches stufenloses Ein-schichten, falls die Soll-Eintrittstemperatur in den Tank beim Laden nicht immer konstant gehalten werden kann.
Ladelanze zum automatischen stufenlosen Ein-schichten in den Speicher, falls die Rücklauftempe-ratur in den Speicher nach der Entladung nicht im-mer konstant gehalten werden kann.
Automatische stufenlose Einschichtung in den Speicher durch z.B. Schichtkegel. Es existieren ver-schiedene Umsetzungsarten dieser automatischen Einschichtung.
Einschichtung über Stellventile (Ein/Aus) in Ab-hängigkeit der Eintrittstemperatur und den Tempe-raturen im Schichtspeicher.
Die Hilfsmittel , , und können auch ohne va-riable Temperaturen notwendig sein, wenn der Speicher z.B. mehrere Schichten hat und diese sich während dem Laden/Entladen stark nach oben oder unten bewegen.
Direkte Verbindung von Wärmequelle und Wär-mesenke, um den „Umweg“ über den Speicher und ungewollte Mischeffekte zu vermeiden.
Entladung über Mischventile, welche in Abhän-gigkeit der Temperaturen im Speicher die Solltem-peratur mischen. Merke: Mischen bedeutet Exergie-verlust.
Einströmdämpfer/Prallplatte zur Vermeidung der Durchmischung und in der Folge zum Erhalt der Temperatur-Schichtung.
Wärmesiphons, Konvektionssperren oder Kon-vektionsbremsen bei den Speicheranschlüssen zur (teilweisen) Verhinderung von rohrinterner Gegen-stromzirkulation bei abgeschalteten Lade- und Ent-ladepumpen. Damit wird verhindert, dass vorgängig
in den Leitungen erkaltetes Wasser in den Speicher strömt und dort «nach unten fällt» (Wasserfall).
Z.T. kommen auch horizontale Trennschichten im Speicher zum Einsatz, um eine hydraulische Trenn-wirkung zwischen den verschiedenen Schichten zu erreichen.
Sollten die Bedingungen im Speicher trotz allen Massnahmen nicht konstant gehalten werden kön-nen, gibt es zusätzlich die Möglichkeit der soge-nannten Utility-Kompensation zum Ausgleichen von Wärmeüberschuss oder –defizit. Am weitesten ver-breitet sind:
- Hot Utility (HU) im oberen Speicherbe-reich (siehe ) bzw. Cold Utility (CU) im unteren Bereich
- Utility-Kompensation auf den Strömen selber mittels HU oder CU Wärmeüber-tragern nach dem ZK-Wärmeübertrager (siehe )
In der Industrie sind oft deutlich höhere Lade- und Entladeleistungen nötig als in der Gebäudetechnik.
Dadurch erhöht sich der umzuwälzende Massen-fluss und auch die Gefahr einer Durchmischung des Speichers – trotz Verwendung von Hilfsmitteln zur Schichtung. Möglichst konstante Eintrittstemperatu-ren in den Speicher sind darum wichtig und die Zwi-schenkreisläufe und deren Anschlüsse an den Spei-cher müssen sorgfältig durchdacht werden (Zwei-schichtspeicher sind z.B. einfacher zu handhaben als Mehrschichtspeicher). Die Methode des ISSP liefert die Grundlagen dafür.
17.3 Indirect Source and Sink Profile (ISSP)