Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH Vakuum
Transcription
Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH Vakuum
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) hV = 2500 kJ/kg Erstarrungs-/Schmelzenthalpie hfus = 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 Eisbildung an Wasseroberfläche = geringe Effizienz Höchstmögliche Verdampfungs- Hoher mechanischer Verschleiß temperatur Additive 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 NachtBetrieb „Speicherwirkungsgrad“ > 100 % Durchschnittliche Tageshöchst- und –tiefsttemperaturen im Jahresverlauf am Standort Abu Dhabi Quelle: wetterkontor.de Vakuum-Flüssigeis-Technologie 8 Vergleich von Kältespeichertechnologien Eisspeicher Kaltwasserspeicher Nutzt Temperaturdifferenz Nutzt latente Wärme (Phasenübergang) (6/12 °C -> 25 kJ/kg ~ 7 kWh/m³) Wasser/Eis (333 kJ/kg ~ 93 kWh/m³) Geringe Temperaturdifferenz nutzbar Hohe Speicherdichte Benötigt große Speichervolumina Schmelztemperatur nahe der Nutz- Thermische Schichtung temperatur © T.Urbaneck © Calmac Vakuum-Flüssigeis-Technologie 9 Vergleich von Eisspeicher-Technologien Konv. Eisspeicher (Eisbänke) Vakuum-Flüssigeis niedrige Verdampfungstemperatur einzige Eisspeichertechnologie mit benötigt Wärmeübertrager zwischen Verdampfungstemperatur nahe der Kältemittel/-träger und Eis Eiswassertemperatur mit zunehmender Eisdicke steigt hohe Entladeleistung bei geringer Temperaturdifferenz Ladeleistung möglich für hohe Entladeleistung große Speicher teilbe- und entladbar Wärmeübertrager notwendig © 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 Spezif. Strombedarf Kälteerzeugung [kWel/kW0] Effizienzbetrachtungen 0,35 0,30 Vakuumeis konventionelle Kälteanlage 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 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