Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH Vakuum

Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden gGmbH
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
Erzeugung und Anwendung von Flüssigeis zum effizienten Kühlen,
Speichern und Heizen
Flüssigeiserzeugung … was ist das?
Verfahren zur Eiserzeugung durch direkte Verdampfung des
Kältemittels/Kälteträgers Wasser im Grobvakuum
Verdampfung bei ca. 0 °C und 6 mbar Absolutdruck (Tripelpunkt)
Verdampfung mit geringer Temperaturdifferenz
Erzeugung eines binären Gemisches
Wasser/Wassereis
Phasendiagramm von Wasser
(Quelle: https://portal.uni-freiburg.de/fkchemie/lehre/grundvorlesung/uebungen/stunde6/pdwasser/view)
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Eiserzeugung durch Direktverdampfung
Verdampfungsenthalpie (6,1 mbar; 0,01 °C)
hV = 2500 kJ/kg
Erstarrungs-/Schmelzenthalpie
hfus = 333,5 kJ/kg
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Aufbau einer Vakuum-Flüssigeis Anlage
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Flüssigeis-Kältespeicher
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Verfahrensvergleich Flüssigeiserzeugung
Kratzeis-Verfahren
Direktverdampfung
Niedrige Verdampfungstemperatur
Eisbildung an Wasseroberfläche
= geringe Effizienz
Höchstmögliche Verdampfungs-
Hoher mechanischer Verschleiß
temperatur
Additive
Kein Kratzen = kein Verschleiß
Additivfreier Betrieb möglich
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Eisspeicher als Energiespeicher I
Eisspeichersysteme … wofür?
Kühlaufgaben für unterschiedlichste Anwendungen
Klimatisierung, Nahrungsmittelwirtschaft, industrielle Prozesse …
Kälteanlagen meist elektrisch angetrieben
Kältetechnik = 14 % der Elektroenergie in Deutschland
Kühlung bestimmt Elektroenergiebedarf in warmen Regionen
südliches China: 40…60 % des Elektroenergiebedarfs für Klimaanlagen
Ausgeprägte elektrische Spitzenlasten durch Klimakälteerzeugung
Ohne Speicher: Spitzenlast bestimmt Anlagendimensionierung
28.01.2015
Vakuum-Eisspeicher -Technologie
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Eisspeicher als Energiespeicher II
Eisspeicher zur zeitlichen Entkopplung von Angebot und Bedarf (Lastmanagement)
Regenerative Energien erfordern Energiespeicher
Direkte Speicherung der Nutzenergie (Kälte) mit Eisspeichern
(Alternative zu Batteriespeichern)
Nutzung von Tag-Nacht-Temperaturdifferenzen
ermöglicht höhere Effizienz als bei
„on-time“ Kälteerzeugung;
geringere Kondensationstemperatur im NachtBetrieb
„Speicherwirkungsgrad“ > 100 %
Durchschnittliche Tageshöchst- und –tiefsttemperaturen im
Jahresverlauf am Standort Abu Dhabi
Quelle: wetterkontor.de
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Vergleich von Kältespeichertechnologien
Eisspeicher
Kaltwasserspeicher
Nutzt Temperaturdifferenz
Nutzt latente Wärme (Phasenübergang)
(6/12 °C -> 25 kJ/kg ~ 7 kWh/m³)
Wasser/Eis (333 kJ/kg ~ 93 kWh/m³)
Geringe Temperaturdifferenz nutzbar
Hohe Speicherdichte
Benötigt große Speichervolumina
Schmelztemperatur nahe der Nutz-
Thermische Schichtung
temperatur
© T.Urbaneck
© Calmac
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Vergleich von Eisspeicher-Technologien
Konv. Eisspeicher (Eisbänke)
Vakuum-Flüssigeis
niedrige Verdampfungstemperatur
einzige Eisspeichertechnologie mit
benötigt Wärmeübertrager zwischen
Verdampfungstemperatur nahe der
Kältemittel/-träger und Eis
Eiswassertemperatur
mit zunehmender Eisdicke steigt
hohe Entladeleistung bei geringer
Temperaturdifferenz
Ladeleistung möglich
für hohe Entladeleistung große
Speicher teilbe- und entladbar
Wärmeübertrager notwendig
© Stuttgart University
Temperaturprofil im Festeisspeicher
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Vakuumeis Pilot- und Demonstrationsanlage
Vakuumeis-Kältespeicher an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
Aufgabe: Pufferspeicher für das Campuskältenetz und Experimentalanlage zur
studentischen Ausbildung
Anlagenparameter
Verdampferkälteleistung: 50 kW
(Ladeleistung)
Speicherkapazität:
350 kWh
Speichervolumen:
6 m³
Entladeleistung:
100 kW
Im Auftrag des
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Spezif. Strombedarf Kälteerzeugung
[kWel/kW0]
Effizienzbetrachtungen
0,35
0,30
Vakuumeis
konventionelle Kälteanlage
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Heizen mit Vakuum-Flüssigeis
Nutzung natürlicher oder künstlicher Wasserreservoire als Wärmequelle
Vorteile
Konstante Temperatur der Wärmequelle
Höhere Wärmequellentemperatur als bei Luftwärmepumpen
Vermeidung von Schallproblemen von Luftwärmepumpen
Geringere Investitionskosten gegenüber Erdwärme, keine Regenerierungsprobleme
Vakuum-Flüssigeis-Technologie
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Vorteile des Vakuumeisspeichersystems
Energieeffizient durch Direktverdampfung bei -1 °C
Eisentstehung auf freier, bewegter Wasseroberfläche, kein Kratzen
Effizienter als konventionelle, solide Eisspeicher und Kratzeiserzeuger
Effizienzsteigerung durch Temperaturunterschied Tag/Nacht
Vergrößerung der Spitzenleistung von Kälteanlagen
Größere Entlade- als Ladeleistung möglich
Flexible Anpassung der Speicherkapazität unabhängig von Ladeund Entladeleistung
Umweltfreundliches und preiswertes Speichermedium ohne Degradationsgefahr
Speichermedium/Kälteträger ist pumpfähig
Andere Applikationen möglich, z.B. Wärmepumpen/Heizen
Direktverdampfung problematischer Wärmequellen
(Grubenwasser, industrielle Wässer wie Papierindustrie)
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Anwendungen der Vakuumeistechnologie
Kühlung industrieller Prozesse, Lebensmittelverarbeitung und –lagerung,
Batchprozesse, 0…10 °C
(Brauereien, Molkereien, Bäckereien, Käse- und Wurstreifung, Obst- und Gemüselager, Luftentfeuchtung)
Kältespeicherung in der Gebäudeklimatisierung
Kapazitätserweiterung von Nah- und Fernkältenetzen (district cooling)
- als dezentralisierter Speicher für höhere Spitzenlast
- als zentraler Speicher, z.B. zur Nutzung von Schwachlastzeiten oder regenerativer Energien
Wärmepumpenprozesse mit Nutzung (Eisbildung) natürlicher oder künstlicher
Wasserreservoire (konstante Quelltemperatur, höhere Effizienz als Luft WP)
doppelte Nutzung der WP zum Heizen und Kühlen
saisonale Speicherung
Leistungsbereich: 50 … 500 kW Eiserzeugungsleistung pro Modul
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Institut für Luft- und Kältetechnik
gemeinnützige Gesellschaft mbH
Bertolt-Brecht-Allee 20, 01309 Dresden
Dipl.-Ing. Marcus Honke
Tel.:
+49 351 / 4081-703
E-Mail:
[email protected]