Innovative Wärmespeicherkonzepte mit Adsorptionskreisläufen in der Gebäudetechnik

Speicherung von Wärme spielt eine wichtige Rolle, um die Diskrepanz zwischen Verfügbarkeit
und Bedarf von Energie zu verringern, die insbesondere durch den zunehmenden Einsatz von fluktuierenden
Energieformen auftritt. Zusätzlich wird bei vielen industriellen Prozessen Abwärme
erzeugt, die mit Hilfe geeigneter Speicher nutzbar gemacht werden kann. Auch eine Anwendung
bei Kraft-Wärme-Kopplung-Systemen mit BHKW, bei der die Speicher die in Blockheizkraftwerken
überschüssig produzierte Wärme speichern können, ist vielversprechend.
Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Konzepte von Wärmespeichern vorgestellt und numerisch
untersucht, ein kaskadierender Adsorptionsspeicher und ein sorptionsunterstützter Wasserspeicher.
Bei beiden betrachteten Speichersystemen wird eine Adsorptionswärmepumpe eingesetzt
mit dem Ziel, die Energiespeicherdichte und die Effizienz der Systeme zu erhöhen. Beim
kaskadierenden Speicher wird die Adsorptionswärme aus einem Zeolithspeicher genutzt, um die
Adsorptionswärmepumpe zu desorbieren.Wenn die Temperatur der Adsorptionswärme dazu nicht
mehr ausreicht, wird diese direkt genutzt. Beim sorptionsunterstützten Wasserspeicher wird die
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Wärme aus dem oberen Teil eines temperaturgeschichteten Wasserspeichers zur Desorption der
Adsorptionswärmepumpe eingesetzt. Auch hier wird nach dem Ende des Wärmepumpenbetriebes
die restliche Wärme direkt genutzt.
Als technische Zielgrößen für die Untersuchungen werden die volumetrische Speicherdichte und
die Speichereffizienz herangezogen. Zusätzlich wird die Entnahmeleistung aus den Speichersystemen
simuliert. Für die Untersuchungen wird ein Temperaturhub von 30 K zwischen Verdampfertemperatur
und Nutzniveau angenommen, der passend für einen Einsatz im Gebäudebereich
ist, allerdings eine große Herausforderung für die Systeme darstellt. Eine Variation des Temperaturhubes
zeigt, dass der Temperaturhub einen großen Einfluss auf die Zielgrößen hat. Auch das
Systemvolumen trägt wesentlich zur Berechnung der Speicherdichte bei.
Durch den Einsatz des kaskadierenden Speichers kann eine Erhöhung von Speicherdichte und
Speichereffizienz gegenüber einem unkaskadierten Speicher erzielt werden. Mit einem Adsorbervolumen
von 1 m³ wird eine Speicherdichte von 60 kWh/m³ auf Systemebene erreicht. Durch eine
Skalierung des Adsorbers auf 4 m³ kann die Speicherdichte auf 88 kWh/m³ erhöht werden, da die
übrigen Systemkomponenten weniger stark skaliert werden müssen.
Mit dem sorptionsunterstützten Wasserspeicher wird eine Speicherdichte von 53 kWh/m³ bei
einer Effizienz von 1,09 erreicht. Die erreichbare Speicherdichte ist gegenüber einem direkt entladenen sensiblen Wasserspeicher mit den gleichen Randbedingungen nur leicht erhöht, da für das
SAWS-System die zusätzlichen Komponenten mit einbezogen werden müssen.
Zusätzlich zu den numerischen Untersuchungen wird in einem experimentellen Teil die Einströmung
von warmem Wasser in einen Plexiglastank betrachtet. Dabei wird ein Vergleich zwischen
einer Einströmung durch einen Freistrahl und zwei Einströmgeometrien gezogen. Bei den Einströmgeometrien
handelt es sich um einen waagerecht eingesetzten Ring mit Bohrungen an der
Innenseite, durch die das Wasser in den Tank eintreten kann, und ein Beladerohr, bei dem auf
der gesamten Mantelfläche Löcher für die Ausströmung angebracht sind. Sowohl beim Ring als
auch beim Rohr ist eine poröse Struktur auf die Oberfläche aufgebracht, um die Einströmung zu
homogenisieren. Die Auswertung der MIX-Zahl und der Temperaturverteilungen innerhalb des
Speichers zeigen, dass mit beiden Geometrien die Einströmverluste reduziert werden können.
Abschließend wird die Einbindung der beiden Speicher in ein BHKW-System als mögliches
Einsatzszenario untersucht und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung sowie eine Auswertung der
Kohlenstoffdioxid-Emissionen durchgeführt. Aus dem Anwendungsfall lässt sich erkennen, dass
durch die Integration der Speicher die Verbrauchskosten und die CO2-Emissionen gegenüber einem
Referenzsystem mit Gasbrennwertkessel gesenkt werden können. Den größten Einfluss hat
dabei allerdings das BHKW, die zusätzlichen Speicher bringen aufgrund der größeren Kapitalkosten
nur noch geringe Mehreinsparungen.