Forschung – Thermische Energiespeicher
(Wärme- und Kältespeicher)
Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. habil. Thorsten Urbaneck
Verbundvorhaben: Innovative Beladesysteme für schlanke Speicher (InnoBeS)
Der größte Anteil des Endenergieverbrauchs in Deutschland entfällt mit 56 % auf den Wärmesektor. Davon gehen wiederum große Teile auf Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme zurück. Damit die beim Pariser Klimaschutzgipfel beschlossenen Ziele in Deutschland erreicht werden, ist neben den Sektoren Strom und Verkehr auch im Bereich Wärme zwingend eine Energiewende notwendig. Diese hat zum Ziel, nicht-erneuerbare Energieträger durch erneuerbare Energien zu substituieren. Problematisch ist dabei, dass sowohl Energieverbrauch als auch Erzeugung i. d. R. nicht zeitlich entkoppelt erfolgen und starken zeitlichen Schwankungen unterliegen. Damit der Anteil erneuerbarer Energieträger und die Effizienz der Energiebereitstellung erhöht werden können, ist eine zeitliche Entkopplung notwendig. Im Wärmesektor übernehmen thermische Energiespeicher diese Funktion.
Mehr Informationen: www.InnoBeS.de
Verbundvorhaben: Oberirdische Speicher in Segmentbauweise für Wärmeversorgungssysteme (OBSERW)
Im Verbundvorhaben soll ein neuartiger oberirdischer (geschraubter) Tankspeicher für den Bereich 500 bis 8000 m³ entwickelt werden. Erstmalig kommt die Segmentbauweise (eingedichtete Stahlsegmente) bei Warmwasserspeichern bis 95 °C zur Einsatz. Bestehende Hemmnisse (z. B. temperaturbeständige Dichtung der Segmente, fehlende Systemlösungen) müssen möglichst schnell und wissensbasiert überwunden werden. Nur darüber sind die Potenziale dieser Speicherkonstruktion erschließbar: hohe Funktionalität (z. B. niedrige Verluste, hohe Ladeleistungen, Dichtheit, Wasserqualität), relativ niedrige Speichererrichtungskosten, Reparaturfähigkeit, minimaler Materialeinsatz, rationeller Umsetzungsprozess, Einsatz an vielen Orten, vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, Anpassung zum Kurzzeit- bis Langzeit-Speicher. Die Projektziele beinhalten eine modulare Bauweise, die Entwicklung von Teillösungen/ Standardisierungen und dazugehörige Planungswerkzeuge.
Mehr Informationen: www.obserw.de
Smart Cities and Communities, FP7-Smartcities-2013
„RenewIT – Advanced concepts and tools for renewable energy supply of IT Data Centres” (EU)
Der Energieverbrauch von Rechenzentren liegt in Deutschland heute bei ca. 10.000 GWh/a und steigt momentan ungefähr um 3 % pro Jahr. Seitens der IT-Branche werden intensive Anstrengungen unternommen, den Energieverbrauch zu senken. Effektiv führen jedoch eine intensivere Nutzung bzw. neue Anwendungen zum stetigen Anstieg des Energieverbrauchs. D. h., um energie- und umweltpolitische Ziele zu erfüllen, kann man den Rechenzentrumsbetrieb nicht mehr singulär betrachten. Demzufolge liegt dem RenewIT-Projekt ein ganzheitlicher Ansatz zugrunde. Das Hauptziel besteht darin, Rechenzentren fast vollständig mit erneuerbarer Energie (höher als 80 %) zu versorgen. Dieses Ziel kann man nur über ein abgestimmtes Maßnahmenpaket erreichen. Im Projekt wurden deswegen folgende Hauptthemen bearbeitet:
- Analyse und Systematisierung bestehender Rechenzentren, verfügbarer Komponenten im Rechenzentrum, erneuerbarer Energiequellen in Europa und Techniken zur Bereitstellung,
- Bewertung des Betriebs von Rechenzentren insbesondere unter Beachtung der vorgelagerten Versorgungssysteme und neue Ansätzen wie die Nutzung der Abwärme,
- Entwicklung von Software-Komponenten zur Bestimmung und Prognose des Energieverbrauchs von IT-Prozessen sowie zur Optimierung nach Anforderungen eines ökologischen Betriebs (Konsolidierung),
- Entwicklung eines flexiblen, webbasierten Monitoring-Tools für IT- und Versorgungsprozesse zur Analyse und Optimierung des Rechenzentrumsbetriebs,
- ein Katalog für beispielhafte technische Lösungen zur Stromversorgung und Kühlung (Schwerpunkt dieses Beitrags) unter Beachtung der verschiedenen Randbedingungen,
- detaillierte Untersuchung von Servern mit dem Schwerpunkt der Wärmerückgewinnung mit Flüssigkeiten,
- dynamische Simulation der Systeme (Rechenzentrum bestehend aus Gebäude, IT, technische Gebäudeausrüstung und Systeme zur Stromversorgung, Kühlung, Heizung usw.), Erstellung neuer TRNSYS-Modelle für den Rechenzentrumsbetrieb und Validierung,
- Parametervariation mit einer sehr hohen Anzahl an Eingangsgrößen einschließlich der Systemauslegung, Identifikation signifikanter Abhängigkeiten,
- intuitives, webbasiertes Tool zum Voruntersuchung auf der Basis umfangreicher Simulationen.
Die Öffentlichkeitsarbeit, die Einbeziehung der Industrie sowie die Mitarbeit in Gremien (z. B. Arbeitskreis VDI 2054) waren flankierende Maßnahmen.
Mehr Informationen: www.renewit-project.eu
Verbundvorhaben: HypoTrans – Entwicklung eines Overalls zur umfassenden Notfallversorgung von
reanimierten Patienten
Teilprojekt 1: Entwicklung einer sicheren und
selbstregelnden Patientenkühlung
Im Kooperationsprojekt HypoTrans wurde ein Overall zur umfassenden Notfallversorgung reanimierter Patienten entwickelt. Durch den Einsatz eines zielgerichteten Temperaturmanagements (TTM, zuvor milde therapeutische Hypothermie) in der Postreanimationsphase wird eine Verbesserung der neurologischen Prognose sowie des Gesamtüberlebens erwartet. Die Kühlung auf eine konstante Zieltemperatur von 32-36 °C ist als innovatives Verfahren durch die großflächige Anwendung von Phasenwechselmaterial (PCM) umsetzbar. Ein Paraffin mit einer Schmelztemperatur von 25 °C ist hierfür aufgrund hoher Schmelzenthalpien und unbedenklicher Stoffeigenschaften besonders geeignet. Die effektive Wärmeleitfähigkeit konnte durch Zugabe eines hochwärmeleitenden Graphit-Pulvers nachweislich verbessert werden. Das entwickelte PCM-Stoffsystem erhöht die Kühlleistung und die Effektivität des langzeitstabilen Materials. Das mittels Verbundfolie makroverkapselte Speichermaterial wurde in angepassten Versuchen (Ersatzmaßnahmen) im Realmaßstab unter Laborbedingungen sowie unter Extrembedingungen im Brandsimulator getestet und das Funktionsprinzip zum Temperaturmanagement nachgewiesen.
Mehr Informationen: www.hypotrans.de
Weiterentwicklung und Optimierung von Be- und Entladesystemen für Tank- und Erdbeckenspeicher
In den nächsten Jahren muss die Effizienz der Speichertechniken gesteigert werden, um insbesondere die Sonnenenergie stärker in die Wärmeversorgung einzubeziehen. Dabei besteht ein signifikanter Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der Be- und Entladesysteme - hier für mittelgroße bis große Tank- und große Erdbeckenspeicher. Die Herausforderung beginnt damit, dass selbst grundlegende Phänomene im Speicher, nicht vollständig und nicht mit der notwendigen Tiefe aufgeklärt sind. Hier sollen experimentelle und rechnerische Untersuchungen helfen die Vorgänge im Speicherinneren aufzuklären. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse können dann die Be- und Entladesysteme weiterentwickelt werden, um die so genannten inneren Verluste (z.B. Mischvorgänge) zu minimieren.
Machbarkeitsuntersuchung zur Stärkung der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung durch den Einsatz von Kältespeichern in großen Versorgungssystemen
Das Ziel dieses Projektes ist die Stärkung der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK) durch den Einsatz thermischer Energiespeicher in Kälteversorgungssystemen - populär Kältespeicher. Allein über den Einsatz von Absorptionskältemaschinen ist zur Zeit keine erhöhte Nutzung der Abfallwärme zu erwarten. Deswegen muss die KWKK-Technik mit Speichertechnik ergänzt werden um kostenseitige Vorteile für eine wirtschaftliche Durchsetzung zu erreichen. Perspektivisch sollen Kälteversorgungssysteme mit TES optimal ausgelegt, errichtet und betrieben werden.
Mehr Informationen: Projekt-Website
Pilotprojekt zur Optimierung von großen Versorgungssystemen auf Basis der Kraft-Wärme-Kältekopplung mittels Kältespeicherung
Um die positiven Ergebnisse der Machbarkeitsuntersuchung in die Anwendung zu überführen ist es notwendig, die theoretischen Ergebnisse in die Anwendung zu überführen. Wesentliche Punkte diese Pilotprojektes sind
- die Errichtung des ersten großen Kurzzeit-Kältespeichers in Deutschland,
- der Betrieb des KWKK-Systems mit Speicher
- der Vergleich zwischen den Planungs- und Betriebswerten und
- die deutschlandweite Einführung dieser Technik.
Mehr Informationen: Projekt-Website
Berechnung von Kies-Wasser-Speichern
Die Berechnung des thermischen Verhaltens von Kies-Wasser-Speichern mit direkter Beladung spielt bei der Planung und Überwachung derartiger Speicher eine wichtige Rolle. Im Rahmen eines Dissertationsprojekts wurde ein Modell für die Berechnung des Wärmeübergangs und Stofftransportes entwickelt. Das Modell beinhaltet die Massenerhaltungsgleichung, die Energieerhaltungsgleichung für die flüssige und feste Phase und die Impulserhaltung. Berücksichtigt wurde auch der Wärmeübergang an der Erdoberfläche und vom Speicher ins umgebende Erdreich sowie die Be- und Entladung des Speichers. Für die Implementierung dieses Modells in CFX 4.4, einem kommerziellen Programmpaket, waren spezielle Anpassungen bzw. Erweiterungen notwendig. Die Parameter zur Beschreibung des vorliegenden Speicherbaumaterials stammen nur zum Teil aus der Literatur. Eigene Untersuchungen lieferten Werte für die Porosität, die Gesteinsdichten und den mittleren Partikeldurchmesser. Außerdem stand die Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit des gegebenen Kies-Wasser-Stoffsystems im Mittelpunkt der experimentellen Arbeiten. Die dafür in einer Versuchsapparatur gewonnenen Ergebnisse dienten ebenfalls zur Überprüfung des aufgestellten Berechnungsmodells. Durch die Nachrechnung konnte die modellseitige Abbildung der instationären Wärmeleitung bestätigt werden. Weitere Validierungsrechnungen für die erzwungene und freie Konvektion lieferten Aussagen zur Genauigkeit, zum Modellverhalten und zu numerischen Effekten. Die Berechnungen des thermischen Verhaltens eines 8000 m³ Kies-Wasser-Speichers beziehen sich auf das Projekt „Solar unterstützte Nahwärmeversorgung – solarisPark Chemnitz“ des Forschungs- und Demonstrationsprogramms Solarthermie 2000. Mess- und Berechnungsergebnisse fließen in die Auswertung ein. Ergebnisse liegen für verschiedene Temperatur- und Strömungsfelder sowie für den Energieverlust des Speichers vor. Messungen und Berechnungen tragen gleichermaßen zur Erforschung und Auswertung des thermischen Speicherverhaltes bei.
Mehr Informationen: Projekt-Website
Teilprojekt: Weiterentwicklung der Konstruktion und des Betriebs von gebäudeintegrierten Kaltwasserspeichern
Das LowEx-Konzept - Heizen mit niedrigen Temperaturen und Kühlen mit hohen Temperaturen - ist eine bedeutende Strategie für zukünftige Versorgungssysteme. Damit lassen sich Effizienzsteigerungen, aber auch die Einbindung erneuerbarer Energiequellen besser realisieren. Im speziellen Projekt wird ein System mit einem dezentralen Kaltwasserspeicher untersucht, der im Unterschied zu Vorläufervorhaben mit Tankspeichern direkt ins Bauwerk integriert ist. Aufgrund der neuen Speicherkonstruktion und des neuartigen Systems konzentrieren sich die Untersuchungen auf die Funktionsfähigkeit. Weiterhin werden Planungsrichtlinien und -werkzeuge für den zukünftigen Einsatz entwickelt.
Mehr Informationen: Projekt-Website
Alle Veröffentlichungen zu den Projekten finden Sie in unserer Publikationsübersicht.
