Thermischer Energiespeicher SolarEis - die Zukunft der Energiespeicherung
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ZHAW School of Engineering, Energie- und Umweltapero vom 5. März zum Thema Thermische Energiespeicher - Wege zu grösserer Energieeffizienz Yves Plamening, Isocal Generalvertretung Schweiz und Liechtenstein - Energie-Technik Plamenig
![2006
Beginn
der
innovaDven
und
konstrukDven
Entwicklung
des
SolarEis-‐Speichers
in
Verbindung
mit
einer
gasbetriebenen
Wärmepumpe
2007 Entwicklung
eines
geräuschlosen
Dachabsorbers
als
mulDfunkDonale
Wärmequelle
und
Wärme-‐
senke;
Patent
auf
das
System
der
Wärmetauscher-‐
anordnung
beim
SolarEis-‐Speicher
2008 FerDgstellung
aller
Komponenten
Namensschutz
für
"isocal"
und
"SolarEis“
2009 Entwicklung
der
Steuerungstechnik;
Aufnahme
Projektgeschä]
SEi;
DefiniDon
und
Entwicklung
Standardprodukt
SE
12
2010 Generalvertretung
Schweiz
&
Liechtenstein
Serienreife
SE
12
KooperaDon
Viessmann/KWT
2011 Lieferprogramm
SE
12
6,
8,
10
bis
20kW
,
Serienreife
SolarLu]-‐Kollektor,
Ausbau
Projektgeschä]
und
Solare
KlimaDsierung
2012 Groß-‐Projekte
EBV
Hamburg
Tilemannhöhe,
Evonik
Köln-‐Porz,
Ecolab
Langenfeld,
D´dorf
Heerdt
Viessmann
wird
Hauptgesellscha6er
Isocal
HeizKühlsysteme
GmbH
isocal
HeizKühlsysteme
GmbH
Donaustraße
12
D-‐88046
Friedrichshafen
www.isocal.de](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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Thermischer Energiespeicher SolarEis - die Zukunft der Energiespeicherung
- 1. Wärme, die aus der Kälte kommt Sonne, Erde, Lu6 und Wärmepumpe – Eisspeicher als Primärquellenpuffer Energie-‐Technik Plamenig Isocal Generalvertretung Schweiz & Liechtenstein Stöckackerstr. 30 4142 Münchenstein www.isocal.ch
- 2. 2006 Beginn der innovaDven und konstrukDven Entwicklung des SolarEis-‐Speichers in Verbindung mit einer gasbetriebenen Wärmepumpe 2007 Entwicklung eines geräuschlosen Dachabsorbers als mulDfunkDonale Wärmequelle und Wärme-‐ senke; Patent auf das System der Wärmetauscher-‐ anordnung beim SolarEis-‐Speicher 2008 FerDgstellung aller Komponenten Namensschutz für "isocal" und "SolarEis“ 2009 Entwicklung der Steuerungstechnik; Aufnahme Projektgeschä] SEi; DefiniDon und Entwicklung Standardprodukt SE 12 2010 Generalvertretung Schweiz & Liechtenstein Serienreife SE 12 KooperaDon Viessmann/KWT 2011 Lieferprogramm SE 12 6, 8, 10 bis 20kW , Serienreife SolarLu]-‐Kollektor, Ausbau Projektgeschä] und Solare KlimaDsierung 2012 Groß-‐Projekte EBV Hamburg Tilemannhöhe, Evonik Köln-‐Porz, Ecolab Langenfeld, D´dorf Heerdt Viessmann wird Hauptgesellscha6er Isocal HeizKühlsysteme GmbH isocal HeizKühlsysteme GmbH Donaustraße 12 D-‐88046 Friedrichshafen www.isocal.de
- 3. Wie kann man die Wärme des Sommers für den nächsten Winter nutzen -‐ und umgekehrt? Wie kann man die Wärme des Tages für die nächste Nacht nutzen -‐ und umgekehrt? Wie kann man die Wärme und Kälte einer Wärmepumpe gleichermaßen nutzen? Indem man Wärme und Kälte speichert! Bessere Fragen liefern bessere Antworten
- 4. Wie kann man die Wärme des Sommers für den nächsten Winter nutzen -‐ und umgekehrt? Wie kann man die Wärme des Tages für die nächste Nacht nutzen -‐ und umgekehrt? Wie kann man die Wärme und Kälte einer Wärmepumpe gleichermaßen nutzen? In der Physik gibt es nur Wärme, alles oberhalb -‐ 273,15 °C ist im physikalischen Sinne „warm“. Bessere Fragen liefern bessere Antworten
- 5. Während andere Speicherkonzepte Wärme auf hohem Temperaturniveau speichern, geht SolarEis einen anderen Weg: SolarEis speichert Wärme verluslrei auf niedrigem Temperaturniveau. In einem unterirdisch eingebrachten Speicher. Sicher, wirtscha6lich und umwelIreundlich.
- 6. Fünf regeneraLve Energiequellen im opLmalen Zusammenspiel
- 8. SolarLu6-‐Kollektor Er nimmt die Wärme der Sonne und der erwärmten Umgebungslu] auf -‐ auch bei Bewölkung oder diffuser Strahlung. Sein Energieertrag ist somit höher als der klassischer Solaranlagen. Überschüsse im Sommer werden im SolarEis-‐Speicher eingelagert. SolarLu]-‐Kollektor
- 9. OpLmale Nutzung von Solarer Energie und Umgebungswärme Während der SolarLu]-‐Kollektor in der Horizontalen die Solare Energie aufnimmt, bietet der Kollektor in der VerDkalen eine große Fläche zur Aufnahme der in der Umgebungslu] enthaltenen Energie – auch dann, wenn die Sonne nicht scheint.
- 16. SolarLu]-‐Kollektor SolarEis-‐Speicher In der warmen Jahreszeit werden hier überschüssige Sonnenenergie und Wärme aus der Umgebungslu] auf niedrigem Temperaturniveau gespeichert. Die umgebende Erdwärme ermöglicht die Speicherung über längere Zeit und ohne Isolierung. Mit Beginn der kalten Jahreszeit wird die Wärme dem Speicher entzogen und über die Wärmepumpe dem Warmwasserspeicher und dem Heizsystem zugeführt. Beim kontrollierten Phasenübergang von Wasser zu Eis werden große Mengen an KristallisaDonsenergie freigesetzt. Das Eis steht nun zur kostenlosen Kühlung zur Verfügung. SolarEis-‐Speicher unterhalb Frostgrenze (ca. 1 m)
- 22. Wärmepumpe Sie entzieht dem unterirdischen SolarEis-‐Speicher Wärme und führt sie dem Warmwasserspeicher und dem Heizsystem zu. GleichzeiDg versorgt sie die Räume mit Wärme. SolarLu]-‐Kollektor SolarEis-‐Speicher unterhalb Frostgrenze (ca. 1 m) Sole/Wasser-‐Wärmepumpe elektronisches ExpansionsvenDl soleseiDg bis -‐10 °C Vorlau]emperatur
- 23. Steuerung „Energiequellenmanagement“ SolarEis-‐Steuerung Sie dirigiert das Gesamtsystem und entscheidet, wann der SolarLu]-‐Kollektor Wärme in den SolarEis-‐Speicher einspeist oder ob die zur Verfügung stehende Energie direkt über die Wärmepumpe an das Gebäude abgegeben werden soll. SolarLu]-‐Kollektor SolarEis-‐Speicher unterhalb Frostgrenze (ca. 1 m) Sole/Wasser-‐Wärmepumpe elektronisches ExpansionsvenDl soleseiDg bis -‐10 °C Vorlau]emperatur
- 24. Das SolarEis-‐System strebt eine hohe Primärquellentemperatur an, diese wird durch das ständige Laden des Speichers mit Erdwärme, Umgebungswärme und solarer Energie gewährleistet. Die KristallisaDonswärme wird nur in folgenden Fällen genutzt: • Die regeneraDven Wärmemengen aus Erde, Lu] und Sonne reichen nicht aus und das System muss seine Reserven nutzen. • Das beim Phasenwechsel entstehende Eis soll später zur Kühlung genutzt werden. SolarEis -‐ Heizen mit Eis
- 25. Intelligentes Wärmequellenmanagement macht den Unterschied 20 25 30 35 40 45 50 55 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 Heizsystemtemperaturin°C Außentemperatur in °C 22 % 35 % 21 % 9 % 6 % 7 % erforderliche Heizleistung in kW 10 5 2 Heizleistung Vorlau6emperatur Mehr als 65 % des Jahresenergie-‐ bedarfs werden durch Umgebungs-‐ wärme und solare Energie über das Wärmequellenmanagement direkt abgedeckt.
- 26. Wärmeentzug durch patenLertes Verfahren Eis ist ein guter Isolator und verhindert bei zunehmender Dicke den weiteren Entzug von Wärme. Entgegen Plawenwärmetauschern mit konstanter Oberfläche bildet sich um das Wärmetauscherrohr ein Eiszylinder, der somit die Oberfläche vergrößert. Die größere Oberfläche gleicht den schlechteren Wärmedurchgang des Eises aus und stellt den konstanten Wärmeentzug sicher.
- 27. 0 °C Wasser und 0 °C Eis. EnergeLsch ein Unterschied wie Tag und Nacht
- 28. SolarEis – Leistungsprofil SE 12
- 29. Invest Heizung Betriebskosten Heizen 15 Jahre InvesLLons-‐ und Betriebskosten in 15 Jahren 15.000 € 30.000 € 45.000 € 60.000 € Ö lbrennw ertkessel G asbrennw ertkessel Pelletsheizung Luft-W ärm epum pe Sole-W P Erdsonde Sole-W P Eisspeicher 9.031 €10.532 € 13.456 € 34.681 € 29.214 € 40.487 € 23.400 €22.500 € 19.500 €19.900 € 11.470 € 15.580 € Investitions- und Betriebskosten in 15 Jahren
- 30. 20.000 € 40.000 € 60.000 € 80.000 € Ö lbrennw ertkessel G asbrennw ertkessel Pelletsheizung Luft-W ärm epum pe Sole-W P Erdsonde Sole-W P Eisspeicher 100 €100 € 6.007 € 6.007 € 6.007 € 6.007 € 9.031 €10.532 € 13.456 € 34.681 € 29.214 € 40.487 € 2.750 €2.750 €9.900 €9.900 € 9.900 € 9.900 € 23.400 €22.500 € 19.500 €19.900 € 11.470 € 15.580 € Investitions- und Betriebskosten in 15 Jahren Invest Kühlung Betriebskosten Heizen 15 Jahre Betriebskosten Kühlung 15 Jahre Invest Heizung InvesLLons-‐ und Betriebskosten in 15 Jahren
- 31. Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG Projekt Maisprach, BL -‐ Komplewe Heizungssanierung, Gebäude (1912) steht unter Denkmalschutz • SE-‐12 10kW Heizlast, 3 SLK-‐F, SolarEis Steuereinheit XL
- 32. Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG SolarEis CHF SolarEis System 10kW, inkl. SLK-‐F, Steuereinheit XL 18‘500 Anschluss SolarEis-‐ Speicher, SLK-‐F an WP 7‘500 Elektrische Arbeiten WP & SolarEis-‐ System 6‘500 Zwischentotal 32‘500 SolarEis CHF Wärmeerzeugung 22‘500 TWW / BWW 2‘500 Wärmeverteilung 15‘500 Durchbruch 1‘000 Gartenarbeiten / Aushub 12‘500 TOTAL 86‘500 SubvenLon Amt für Umwelt & Energie BL 6‘000 CHF TOTAL 80‘500 CHF
- 33. Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG Erdsonde CHF Erdsonden & Zubehör 32‘500 Zwischentotal 32‘500 Erdsonde CHF Wärmeerzeugung 22‘000 Wärmeverteilung, inkl. Elektrische Arbeiten, Transport & Montage 20‘000 TOTAL 74‘500 TOTAL SolarEis 80‘500 CHF Differenz SolarEis VS Erdsonde im UMBAU 6‘000 CHF
- 34. Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG SolarEis CHF SolarEis System 10kW, inkl. SLK-‐F, Steuereinheit XL 18‘500 Anschluss SolarEis-‐ Speicher, SLK-‐F an WP 7‘500 Gartenarbeiten / Aushub 12‘500 TOTAL 38‘500 SubvenLon Amt für Umwelt & Energie BL 6‘000 CHF TOTAL SolarEis 32‘500 CHF Erdsonde CHF Erdsonden & Zubehör 32‘500 TOTAL 32‘500 Gleicher Preis der beiden Systeme im UMBAU / SANIERUNG Bereich
- 35. Kostenbeispiel NEUBAU SolarEis CHF SolarEis System 10kW, inkl. SLK-‐F, Steuereinheit XL 18‘500 Anschluss SolarEis-‐ Speicher, SLK-‐F an WP 7‘500 TOTAL 26‘000 SubvenLon Amt für Umwelt & Energie BL 6‘000 CHF TOTAL SolarEis 20‘000 CHF Erdsonde CHF Erdsonden & Zubehör 32‘500 TOTAL 32‘500 SolarEis System 12‘500 CHF günsLger im NEUBAU
- 36. EinsparpotenDal Bsp. an Hand 10 kW SolarEis System ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP • 18‘000 kWh / Jahr ≈ 1‘500 kg Heizöl ≈ 1‘800 Liter • Kosten vor Einsatz SolarEis ≈ 1‘890 CHF / Jahr Nach Einsatz einer Wärmepumpe (JAZ 4.0) • 4‘500 kWh / Jahr Antriebsenergie WP ≈ 450 CHF Nach Einsatz einer WP in Komb. mit SolarEis-‐System (JAZ 5.0) • 3‘600 kWh / Jahr Antriebsenergie WP ≈ 360 CHF
- 37. EinsparpotenDal Bsp. an Hand 10 kW SolarEis System ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP Einsparung pro Jahr: 1‘530 CHF
- 38. Energiekostenentwicklung 0 5 10 15 20 25 30 "PrognosLzierte Preisentwicklung Heizöl" "PrognosDzierte Preisentwicklung Heizöl"
- 39. SE-‐12 zu SEi SolarEis SE-‐12 SolarEis SEi • Paket-‐Lösung für Heizlasten von 6, 8, 10 kW mit einem SolarEis Speicher – und 12, 14, 16, 18 und 20 kW Heizlast mit 2 SolarEis Speichern geschalten in Kaskade • Lieferumfang: SolarEis Speicher 12m3, SolarLu]-‐Kollektoren S, SolarEis-‐Steuereinheit L / XL • Einsatzbereiche: EFH / MFH • Voraussetzung: Sole/Wasser Wärmepumpe • Ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP • Für Heizlasten grösser als 20 kW • Betonspeicher wird bauseiDg vor Ort gebaut • SolarEis Speicher kann mit diversen anderen Systemen kombiniert werden • Lieferumfang: nach Kundenwunsch individuell • Einsatzbereiche: Industrie, Gewerbe, Hotels, Spitäler, nahe Kaltewärmeverbundsnetze • Nach Kundenwunsch konfigurierbar
- 40. SolarEis im Stadtarchiv Stumgart
- 41. SolarEis im Stadtarchiv Stumgart • Wasserschutzgebiet • Hohe Anforderungen an Wirtscha]-‐ lichkeit, Umweltverträglichkeit und Sicherheit • 2 Gasbrennwertkessel mit 250 und 300 kW Leistung • 4 GasabsorpDonswärmepumpen mit je 40 kW • Speichervolumen 400.000 Liter
- 42. Neubau, gewerbliche Nutzung (50 W/qm), miwleres Klima, 2.000 Vollbenutzungsstunden, benöDgte Jahresheizenergie 80 kW, 160.000 kWh Speichervolumen: 409 m3 Kosten für Wärmetauscher: ca. 39.800 Euro / 47‘760 Fr. Kosten für RegeneraDon: ca. 15.300 Euro / 18‘360 Fr. Kosten für Speicher: ca. 37.000 Euro / 44‘400 Fr. Jährliche Heizkosten: ca. 7.200 Euro / 8‘640 Fr. Kostenlos zur Verfügung stehende Kühlleistung: 25.800 kWh/a Diese Kühlleistung muss in anderen System für 4.644 Euro / 5‘572.80 Fr. eingekau] werden (zzgl. Aggregate) InvesLLons-‐ und Betriebskosten Gewerbeobjekt 6% 11% 28% 9% 46% Q_amb (Sonne+Lu]) Q_latent Q_sens (25/0) Q_Erde Q_Fremdwärme Au]eilung der Entzugsenergie
- 45. Die Zukun6 Nah-‐Kaltwärmenetze mit SolarEis-‐ Primärenergiespeicher
- 47. Das Nahwärmenetz mit SolarEis-‐ Primärenergiespeicher an einem Projektbeispiel
- 48. Das Versorgungsprinzip Anbindung an das Nahwärmenetz (Eisspeicher)
- 49. Das Leitungssystem – die Verlegung
- 50. Das Leitungssystem – die Qualität Faserverbundrohre PE-HD 100 – Rohre und Formteile Entscheidende Preistreiber bei der Fernwärmeversorgung sind die hohen Kosten für die Leitungsrohre, z.B.: PE100 Wasserrohr ca. 40 €/m DN 200 vs. Kunststoffmantelrohr isoliert für Fernwärmeleitungen ca. 220 €/m DN 200. Hinzu kommt der durch den Transport entstehende Wärmeverlust, der laut AGFW bei bundesweit durch-‐schniwlich 12% liegt.
- 51. Das Versorgungsprinzip Umgebungstemperatur Erdreich Sommer = +13°C Winter = + 3°C • durch angepasste Systemtemperaturen kein Wärmeverlust der Transportleitung • Winterbetrieb – Wärmegewinn durch Temperatur-‐Unterschied zwischen Erdreich und Medium
- 52. Das Versorgungsprinzip Einspeisung von Stromüberkapazitäten aus: • Kra]werk • Wasserkra] • Photovoltaik • Windkra]
- 53. Das Versorgungsprinzip Der grundsätzliche Vorteil bei dem Transport der Wärme auf einem niedrigerem Temperaturniveau als dem der Umgebung ist, dass auf dem Weg zum Energieverbraucher zusätzliche Wärmegewinne ent-‐ stehen. Das Kaltwärmenetz übernimmt damit die FunkDon eines Erdkollektors. Entscheidend für diese Überlegung sind die Temperatur im Boden und die der Transportleitung. Wärme strömt immer von dem System niedrigerer Temperatur zu dem System höherer Temperatur.
- 56. Zusammenfassung Das vorliegende Konzept, zeigt die Machbarkeit eines Primärspeichersystems mit hieran angebundener Versorgung der Liegenscha]en, über ein kaltgehendes Nahwärmenetz. Das vorgestellte System stellt eine AlternaDve zu den bisher bekannten, warmgehenden Nahwärmenetzen dar. Bedingt durch die niedrigen Systemtemperaturen können lokale Wärmequellen erschlossen und in das System eingebunden werden. Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau kann nutzbar gemacht werden und in das System eingebunden werden (Abwasser). Ziel ist ein Wärmetransport auf einem niedrigen Temperaturniveau. Die im Erdreich verlegten Rohrleitungen sind nicht isoliert und können über das Erdreich im Jahresdurchschniw Wärmegewinne erzielen.
- 57. Zusammenfassung Das Kaltwärmenetz stellt eine Form des Erdkollektors dar. Dezentral installierte Wärmepumpen erzeugen die gewünschten Temperaturen für die Wärme-‐ und Warmwasserversorgung, in den angeschlossenen Gebäuden. Das Kaltwärmenetz dient hierbei als Wärmquelle und stellt die Primärenergie zur Verfügung. Jeder Nutzer hat aufgrund seiner GebäudecharakterisDk, die Möglichkeit den Energiebezug und die notwendige Heiztemperatur selbst zu besDmmen. Der Nutzer hat die Möglichkeit, vorhandene Wärmequellen z.B. Solarkollektoren mit dem Wärmpumpensystem effizient zu verknüpfen.
- 58. Zusammenfassung Die ProdukDon von Wärme und die Einspeisung kann über ein Tarifmodel vergütet werden. Hierdurch lassen sich die Primärkosten senken und der Wärmemengenpreis sinkt. Als Wärmequellen und Wärmeerzeuger lassen sich auch Stromüberkapazitäten (Smart Grid) einbinden. Abwärme aus Windenergieanlagen, Wechselrichter von PV-‐Anlagen, AbsorpDons-‐ und Kompressionskältemaschine kann nutzbar gemacht werden. Das Netz ist fast beliebig erweiterbar, der örtliche Ausstoß von Schadstoffen wird deutlich gemindert.
- 59. Referenzen Nah-‐Kaltwärmenetze mit SolarEis-‐Primärenergiespeicher – Bereits realisierte Bauvorhaben / Projekte
- 60. 1.586.000 Liter Wasservolumen 19 Meter Durchmesser, 6 Meter lichte Höhe Versorgung von 466 Bestandswohnungen
- 67. Wirtscha6lichkeit und NachhalLgkeit Ergebnisse
- 68. Der CO2-‐Austoß kann um 78 Prozent verringert werden – ohne zusätzliche Maßnahmen an der Gebäudehülle. 1.511 to/a Heute 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 336 to/a CO2 Vermeidung
- 69. 1.100.000 Euro / 466 WE = 2.360 Euro/WE Das entspricht den Kosten für eine Lü]ungsanlage Förderung: 50 Prozent durch die Stadt Hamburg und KfW
- 70. MehrgeneraLonen-‐Wohnen und Mehrfamilienhäuser zur Miete Etwa 50 m vom Rhein und ca. 10 km von der Kölner Innenstadt enlernt ist innerhalb einer großzügigen Parkanlage, auf einer Fläche von 8.000 m² ein überschaubares WohnquarDer entstanden. • 4 einzelne Baukörper • 4-geschossig + Staffelgeschoss • 112 Wohnungen = 7.650 m² beheizte Fläche • Wohnungsgrößen von 46m² bis 116m² • jedes Haus hat eine Wärmepumpe • jedes Haus hat Flachdach – Solar-Absorber • ein gemeinsamer Eisspeicher Leistung Heizen: Heizbedarf: 26,1 kW/m² Heizlast: 19,0 W/m² Jahreszahl Wärmepumpe: 5,6 CO²-Wert: 7,5 kg/m²a Solar-‐ Eisspeicher: Länge Breite Höhe 19,00 m 14,00 m 4,50 m Volumen: 1.197,00 m³ Wärmetauscher: 9.000,00 m
- 71. MehrgeneraLonen-‐Wohnen und Mehrfamilienhäuser zur Miete
- 72. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Energie-‐Technik Plamenig Isocal Generalvertretung Schweiz & Liechtenstein Stöckackerstr. 30 4142 Münchenstein www.isocal.ch