Thermochemische Netze

Serena Danesi Thomas Bergmann www.iefe.zhaw.ch

Innovationsgruppensitzung IG SP-WT 12. April 2016, HSLU / Horw Zürcher Fachhochschule

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Thermochemische Netze

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Einführung in die Thematik "Thermochemische Netze" Bisherige Ergebnisse Aktuelle Arbeiten

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Thermochemische Netze Wärmepumpe / Kältemaschine = Umkehrung eines Wärmekraftwerkes:

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Thermochemische Netze Wärmepumpe / Kältemaschine = Umkehrung eines Wärmekraftwerkes: • Bewegung von Wärmeströmen entgegen ihrer natürlichen Richtung mit Hilfe einer mechanischen oder thermischen Antriebsleistung • Realisierung durch Änderung der Richtung der Prozesse => links laufende Kreisprozesse

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Thermochemische Netze Kompressionswärmepumpe => elektrische Antriebsleistung: Kompressor (1-2):

Druckerhöhung des Arbeitsmediums in der Dampfphase Nutzwärme Drossel (3-4):

Entspannung (Druckabsenkung)

Verdampfer (4-1):

Wärmeaufnahme auf niedrigem Druck- und Temperaturniveau (Abwärme)

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Thermochemische Netze Absorptionswärmepumpe => thermische Antriebsleistung: Verdichter wird durch eine thermische Kompression (1-2) ersetzt Absorber (unteres Druckniveau) & Kondensator => Nutzwärme Desorber (oberes Druckniveau) zeitlich und örtlich variabler Nutzwärmegenerations- und Regenerationszyklus Nutzwärme (niedrige Temperatur) oder Abwärme

Umgebungswärme bzw. Abwärme Zürcher Fachhochschule

Antriebswärme (hohe Temperatur)

Nutzwärme 8

Thermochemische Netze Transport und Speicherung eines chemischen Potentials im Absorptionsmittel => Vermögen, aus nicht nutzbarer Energie, wie Umgebungs- bzw. Abwärme, durch anheben (Heizen) oder absenken (Kühlen) des Temperaturniveaus, Nutzenergie zu generieren

Arbeitsmittel Wasser kann an die Umgebung abgegeben bzw. der Umgebung entnommen werden

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Absorptionsmittel Salzlösung konzentriert (arm an Arbeitsmittel) = hohes chemisches Potential verdünnt (reich an Arbeitsmittel) = geringes chemisches Potential

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Thermochemische Netze Thermochemische Energieversorgungsnetze • Transport von gespeichertem thermischen bzw. chemischen Potential in Form von konzentrierten Salzlösungen, mit dem am Ort des Wärmebedarfes Nutzwärme produziert werden kann • hohe "Energiedichte", geringe Investitionskosten, verlustlose Langzeitspeicherung

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Thermochemische Netze Regeneration (Gewinnung von chemischem Potential): Wärme auf hohem Temperaturniveau z.B. Abgaswärmetauscher an einem BHKW (Abgastemperatur ca. 500°C)

Verdünnte Salzlösung

Regeneration

Konzentrierte Salzlösung

Wärme auf niedrigerem Temperaturniveau Kondensationswärme (100°C)

• Speicherung von thermischem Potential in Form eines chemischen Potentials einer Salzlösungen • thermisches Potential = Temperaturdifferenz zum Umgebungszustand • chemisches Potential = Aufnahmevermögen (Gleichgewichtszustand) von Arbeitsmittel im Sorptionsmittel hohe Salzkonzentration = niedrige Arbeitsmittel(Wasser)konzentration = hohes Aufnahmevermögen = hohes chemisches Potential

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Thermochemische Netze Möglichkeiten der Regeneration: .. mit einem offenen Prozess: • Aufkonzentrieren der Salzlösung durch atmosphärisches Verdunsten des Arbeitsmittels • Nutzung von Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau (ab ca. 30°C) .. mit einem geschlossenen Prozess:

Kathabar Dehumidification Systems, Inc. (KDS)

• Aufkonzentrieren der Salzlösung durch Ausdampfen des Arbeitsmittels mit anschliessender Brüdenkondensation • Nutzung eines ungenutzten thermischen Potentials (z.B. Abgaswärme an BHKW-Anlagen) • beim Auskochvorgang wird bei Umgebungsdruck eine Temperatur oberhalb von 100°C benötigt, die Abgabe der Wärme im Kondensator erfolgt bei 100°C HT-Brennwerttechnik am HKW-Buch (Berlin) Zürcher Fachhochschule

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Thermochemische Netze Nutzwärmegeneration: Trockene Luft + Nutzwärme

Konzentrierte Salzlösung

Wärmepumpe

Verdünnte Salzlösung

Feuchte Luft

• Umwandlung des gespeicherten chemischen Potentials in Nutzwärme bzw. -kälte • Wasserdampf (z.B. aus der Luft => Luftfeuchte) wird von der Lösung absorbiert (Luft wird getrocknet) • Erwärmung der Salzlösung (Kondensationswärme des Wasserdampfes) • Temperaturniveau bei der Absorption ist (bedingt durch das chemische Potential der Salzlösung) höher als bei der Kondensation (Taupunkttemperaturanhebung) Zürcher Fachhochschule

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Thermochemische Netze Möglichkeiten der Nutzwärmegeneration: .. mit einem offenen Prozess: • Sorptionsgestützte Klimatisierung • LDCS-Anlagen (Liquid Desiccant Cooling Systems) • energieeffiziente Möglichkeit der Luftentfeuchtung und Kühlung zur Gebäudeklimatisierung • Trocknungsprozesse • Wäschereien • industrielle Trocknungsprozesse .. mit einem geschlossenen Prozess: • Saisonale Wärmespeicher Sorptionsspeicher Demonstrationssystem SPF / EMPA Zürcher Fachhochschule

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Bisherige Arbeiten Regeneration an einem BHKW • Aufkonzentrierung einer Calciumnitratlösung an einer mit Biogas betriebenen BHKW-Anlage BHKW

• Randbedingungen: • Daten vom BHKW und vom Heiznetz (Temperaturen v. Heizkreisvor- und -rücklauf, Abgastemperatur nach Motor und am Wärmetauscheraustritt)

Biogasanlage

Arbeitslösung

• Daten von armer und reicher Lösung (Konzentration der armen und reichen Lösung, Temperatur der reichen Lösung)

• Apparatespezifizierung (maximale Temperaturdifferenz zwischen Wärmeträgerund Siedetemperatur, minimale Temperaturdifferenz für alle Wärmeübertrager)

• Ergebnis: • wärmetechnische Auslegung der Anlage • Erstellung eines Anlagenschemas

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Bisherige Arbeiten Klimatisierung von Gewächshäusern • Ermittlung des durch Lüftung bedingten Verlustes an fühlbarer und latenter Wärme • Definition typischer Aussenluft- und Gewächshausluftzustände für charakteristische Betriebszeiten Ergebnisse: • Energieeinsparungspotential: 680 MWh/a • Überhitzung des Gewächshauses im Sommer (hohe Temperatur und Luftfeuchte) kann durch sorptionsgestützte Kühlung verhindert werden

Übergang Aussen Raum 41 Raum 14

Temperatur [°C] Rel. Feuchte [%] Temperatur [°C] Rel. Feuchte [%] Temperatur [°C] Rel. Feuchte [%]

Tag 12 71 30 64 19 60

Nacht 8 84 29 71 19 78

Sommer Tag 23 60 30 60 21 56

Nacht 17 80 29 73 22 79

Winter Tag 2 80 29 62 20 67

Nacht 1 87 29 61 19 78

• Salzlösung wirkt antibakteriell • stabiles Gewächshausklima durch Phasengleichgewicht (Regelung über Konzentration und Temperatur der Salzlösung)

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Partner: Watergy GmbH

Gebäudeprototyp in Berlin mit Gewächshaus als Feuchtluft-Solarkollektor

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Horizon 2020 Projekt "H-DisNet" H-DisNet: Hybrid Thermal and Thermochemical District Networks Partner: • Katholieke Universiteit Leuven (Belgien) • Watergy GmbH (Deutschland) • ZHAW (Schweiz) • University of Newcastle (Grossbritanien) • TU Berlin (Deutschland) • Thermaflex (Niederlande) • Aurubis (Deutschland) Zeit: Projektstart voraussichtlich 1. Juni 2016, Laufzeit: 3 Jahre Entwicklungsziele / Meilensteine: • III / 2016 – II / 2017 : Entwicklung von Komponenten und Anwendungsstrategien für Regeneration und Nutzwärmegeneration • I / 2017 – IV / 2018 : Planung, Realisierung von Demonstrationsanlagen, messtechnische Betriebsauswertung, Erstellung eines Simulationsmodells • II / 2018 – II / 2019 : Potentialanalyse und Modellanpassung

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Kontakt

Für weitere Informationen:

Thomas Bergmann Dozent für thermische Speichersysteme

Serena Danesi Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Tel.: +41 (0)58 934 47 05 [email protected]

Tel.: +41 (0)58 934 49 90 [email protected]

ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften IEFE Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering Technikumstrasse 9, Postfach CH-8401 Winterthur www.iefe.zhaw.ch

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