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
Energie- und Umweltforum - Mai 2018 - Bruno Weilenmann, Meier und Partner AG
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.
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.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
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)
17.
18.
19.
20.
21.
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
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
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
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
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
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.
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