Innovative Wärmespeicherkonzepte mit Adsorptionskreisläufen in der Gebäudetechnik
Creators: name: Treier, Matthias Simon
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Wärmespeicher
Adsorptionskreisläufe

description: 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 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.