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Stofflicher Speicher
BMWi
Warmwasserspeicher 1.7.2016

Europas größtes Sonnenhaus wird mit einem Sirch-Vacutherm-Speicher ausgerüstet.
© Sirch Tankbau

Große außenaufgestellte Warmwasserspeicher

Im Projekt StoEx entwickelten Wissenschaftler eine Baureihe von großen

Warmwasserspeichern zur Aufstellung außerhalb von Gebäuden. Eine

Kombination innovativer Wärmedämmkonzepte und Beladetechnik soll die thermische

Leistungsfähigkeit der Speicher gegenüber heute üblichen Produkten

signifikant steigern. Gleichzeitig wollten die Kooperationspartner

konkurrenzfähige Herstellungskosten erreichen.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Speichereffekt Temperaturänderung (fühlbare Wärme)
Speicherkonstruktion Stahl (oberirdisch im Außenbereich stehend)
Be-/Entladeeinrichtung Schichtbelade-Einrichtung
Temperaturtyp Niedertemperatur
Speicherung/Ladung Direkt
Speicherzeit Mittel (Wochen bis Monate)
Zyklenzahl Abhängig von der Anwendung: mehrmals täglich (z.B. Prozesswärme, KWK) bis wenige Male jährlich (Sonnenhaus)
Ladetemperatur (-bereich) 5 °C (Kälte) bis 95 °C (Wärme)
Entladetemperatur (-bereich) 5 °C bis 95 °C
Speicherkapazität < 10MWh
Energiespeicherdichte max. ca. 100kWh/m³
Projektlaufzeit Januar 2013 bis Dezember 2015

Bei Speichergrößen zwischen etwa 5 bis 100 Kubikmeter Wasservolumen wollen die Entwickler ähnliche spezifische Kosten einschließlich der Wärmedämmung wie bei konventionell wärmegedämmten Speichern erreichen. Daneben lag ihr Hauptaugenmerk auf einer möglichst weitgehenden Reduzierung der externen Wärmeverluste durch die Speicherhülle als auch der internen Exergie-Verluste. Letztere entstehen durch die Vermischung von Wasser unterschiedlicher Temperatur innerhalb des Speichers wodurch sich die effektiv nutzbare Wärmemenge vermindert. Diese Verluste lassen sich unter anderem durch Schichtbelade-Einrichtungen und eine optimierte Bauweise des Speichers vermindern.

Die externen Verluste konnten um etwa den Faktor 5 gegenüber konventionell wärmegedämmten Warmwasserspeichern reduziert werden. Hierzu untersuchten und adaptierten die Forscher die Vakuumwärmedämmung und transparente Wärmedämmung. Zusätzlich erstellten die Wissenschaftler ein numerisches Rechenmodell für die Systemsimulationen  für den  neu entwickelten Speicher.

Marksituation von Pufferspeichern

Der aktuelle Markt der Pufferspeicher ist sehr preissensibel. Die hier entwickelten Speicher müssen preislich, trotz ihrer deutlich besseren Wärmedämmung, gegen standardmäßig wärmegedämmte Speicher antreten. Die Forscher konzentrierten sich daher auch auf eine deutliche Verbesserung der thermischen Leistungsfähigkeit des Speichers im Vergleich zu konventionellen Speichern sowie auf den Aspekt der Kostensenkung.

Projektfahrplan

  • Bis Januar 2014: Voruntersuchung unterschiedlicher Wärmedämmungen
  • Bis Mai 2014: Voruntersuchung geeigneter Schichtbelade-Einrichtungen
  • Bis September 2014: Planung, Konstruktion, Fertigung eines Pilotspeichers
  • Bis Dezember 2014: Inbetriebnahme Pilotspeicher
  • Bis April 2015: messtechnische Untersuchung Pilotspeicher
  • Bis Juli 2015: Optimierung Pilotspeicher
  • Bis Dezember 2015: Untersuchung optimierter Pilotspeicher und Weiterentwicklung Simulationsmodell

Potenzialstudie zu hocheffizienten Warmwasserspeichern

Ein Warmwasserspeicher kann deutlich kleiner dimensioniert werden, wenn eine Vakuumwärmedämmung eingesetzt wird oder die Maximaltemperatur erhöht wird. Dies zeigen die Simulationsstudien der Wissenschaftler. Untersucht wurde z. B. ein Nahwärmenetz mit einem jährlichen Gesamtwärmebedarf von 1.200 MWh. Gegenüber einem konventionell wärmegedämmten Pufferspeicher spart ein vakuumgedämmter Speicher jährlich 14.122 bis 16.844 kWh an konventioneller Zusatzenergie.

Für die Anwendungsfälle SolarAktivHaus und Kindergarten zeigen die Simulationen, dass mit steigendem solarem Deckungsanteil die Relevanz der Wärmedämmung ebenfalls zunimmt.

Vakuumwärmedämmung

Das Konzept einer Vakuumdämmung erprobten die Wissenschaftler an einem doppelwandigen Warmwasserspeicher mit einem Wasservolumen von 12 m3. Dessen Zwischenraum füllten sie mit einer schüttfähigen Mischung aus 70 Massenprozent grobkörnigem, expandiertem Perlit und 30 Massenprozent pyrogener Kieselsäure. Anschließend wurde das Volumen auf einen Vakuumdruck zwischen 0,4 und 1 mbar evakuiert. Die Dämmstoffmischung erreicht auch bei vergleichsweise hohem Vakuumdruck eine relativ geringe effektive Wärmeleitfähigkeit. Die Forscher konnten zeigen, dass die Vakuumdichtigkeit auch für den Betriebszeitraum solcher Speicher von bis zu 50 Jahren ausreicht.

Schichtbe- und Entladeeinrichtung

Wegen der einfachen Übertragbarkeit auf andere Speichergrößen ist der Speicher mit einer aktiven Schichtbe- und Entladeeinrichtung ausgestattet. Bei einer neu entwickelte modulare passive Schichtbe- und Entladeeinrichtung untersuchten die Wissenschaftler verschiedene Einströmvorrichtungen in einem neu aufgebauten transparenten Versuchsspeicher.

Transparente Wärmedämmung

Für die Untersuchung transparenter Wärmedämmung wurde ein Außenprüfstand mit fünf Versuchsträgern errichtet. Diese dienten zur vergleichenden Messung des thermischen Verhaltens unterschiedlicher Strukturen transparenter Wärmedämmungen und der erzielbaren Temperatur der transparenten Wärmedämmung im Tagesgang.

Unter Berücksichtigung anwendungs- und fertigungsrelevanter Aspekte identifizierten die Forscher gebogene Glassegmente in Verbindung mit einer schwarzen absorbierenden Oberfläche des Speichermantels als geeignetste Lösung. Diese stellen einen Kompromiss zwischen Langzeit- und Temperaturbeständigkeit, Kosten und erwarteter Fähigkeit zur Reduktion der Speicherwärmeverluste dar.

Funktionsmuster im Technikums- und Realmaßstab

An drei Speichern im Technikumsmaßstab mit einem Wasservolumen von 1,5 m3 erprobten die Wissenschaftler die Dämmstoffbefüllung und Evakuierung. Dabei zeigte eine Dämmstoffbefüllung mit einem Zyklonabscheider vielversprechende Ergebnisse. Zur Beschleunigung der Evakuierung eignete sich sowohl ein Aufheizen des Dämmvolumens bei gleichzeitigem Anschluss und Betrieb einer Vakuumpumpe, als auch der Einsatz einer sogenannten Zeolith-Falle zur Desorption von Restfeuchte aus dem Wärmedämmstoff.

Bei den thermischen Untersuchungen der Funktionsmuster- Speicher konnte durch eine zusätzliche Steinwolle- Wärmedämmung am Boden mit 240 mm Dämmstärke und im Fußringbereich des Speichers mit 50 mm Dämmstärke die Wärmeverlustrate um 15 bis 17% gesenkt werden.

Folienumhüllte Wärmedämmung

Folienumhüllte Wärmedämmung erwies sich als eine vielversprechende Alternative zum doppelwandigen Speicher mit starrer Außenhülle. Dabei wird eine Barriere-Folie luftdicht um die Wärmedämmung angebracht. Dieses Konzept eignet sich sowohl für eine Vakuumwärmedämmung im Grobvakuumbereich (1 – 1000 mbar). Auch bei konventionellen Wärmedämmstoffen wie Mineralwollematten kann eine Folie eingesetzt werden. Das Konzept sieht ein Füllgas mit geringer Wärmeleitfähigkeit (z. B. Argon), unter leichtem Überdruck vor. Dichtheit und Schutz der Barriere-Folie müssen aber noch im Technikumsmaßstab untersucht und optimiert werden.

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

Die Wirtschaftlichkeit einer Vakuumwärmedämmung und einer transparenten Wärmedämmung hängt stark vom Anwendungsfall ab. Je höher der angestrebte solare Deckungsanteil ist, desto wirtschaftlicher werden diese Technologien gegenüber einer konventionellen Dämmung. Für den Anwendungsfall „Kindergarten“ kann eine Vakuumwärmedämmung bis zu 8.000 € gegenüber einer konventionellen Wärmedämmung einsparen. Für das „SolarAktivHaus“ ermittelten die Wissenschaftler Einsparpotenziale von bis zu 19.300 €. Für die transparente Wärmedämmung ergeben sich bei den wirtschaftlichsten Lösungen Grenzkosten von bis zu etwa 4.700 €. Als Grenzkosten werden die maximalen Kosten bezeichnet, bis zu welchen eine Investition wirtschaftlich ist.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

22. August 2017
Intersolar South America

12. September 2017
Energiespeicher & Energieeffizienz 2017

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Dr. Harald Drück
    Universität Stuttgart, Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW), Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen (TZS)
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.