thermischer energiespeicher solareis - die zukunft der energiespeicherung
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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
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
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
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
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.
Fünf regeneraLve Energiequellen im opLmalen Zusammenspiel
Komponenten des SolarEis-‐Systems
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
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.
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)
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
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
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
Intelligentes Wärmequellenmanagement macht den Unterschied
20
25
30
35
40
45
50
55
20 15 10 5 0 -5 -10 -15
Hei
zsys
tem
tem
pera
tur i
n °C
Außentemperatur in °C
22 % 35 %
21 % 9 % 6 % 7 %
erforderliche
Heizleistun
g 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.
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.
0 °C Wasser und 0 °C Eis. EnergeLsch ein Unterschied wie Tag und Nacht
SolarEis – Leistungsprofil SE 12
Invest Heizung Betriebskosten Heizen 15 Jahre
InvesLLons-‐ und Betriebskosten in 15 Jahren
15.000 €
30.000 €
45.000 €
60.000 €
Ölbrennw
ertke
ssel
Gasbren
nwert
kesse
l
Pelletsh
eizun
g
Luft-W
ärmep
umpe
Sole-W
P Erdsond
e
Sole-W
P Eisspeic
her
9.031 €10.532 €13.456 €
34.681 €
29.214 €
40.487 €
23.400 €22.500 €19.500 €19.900 €
11.470 €15.580 €
Investitions- und Betriebskosten in 15 Jahren
20.000 €
40.000 €
60.000 €
80.000 €
Ölbrennw
ertke
ssel
Gasbren
nwert
kesse
l
Pelletsh
eizun
g
Luft-W
ärmep
umpe
Sole-W
P Erdsond
e
Sole-W
P Eisspeic
her
100 €100 €
6.007 €
6.007 €
6.007 €
6.007 €
9.031 €10.532 €
13.456 €
34.681 €
29.214 €
40.487 €
2.750 €2.750 €9.900 €9.900 €
9.900 €
9.900 €
23.400 €22.500 €19.500 €19.900 €
11.470 €15.580 €
Investitions- und Betriebskosten in 15 Jahren
Invest Kühlung Betriebskosten Heizen 15 Jahre Betriebskosten Kühlung 15 Jahre Invest Heizung
InvesLLons-‐ und Betriebskosten in 15 Jahren
Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG
Projekt Maisprach, BL -‐ Komplewe Heizungssanierung, Gebäude (1912) steht unter Denkmalschutz • SE-‐12 10kW Heizlast, 3 SLK-‐F, SolarEis Steuereinheit XL
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
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
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
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
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
EinsparpotenDal
Bsp. an Hand 10 kW SolarEis System ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP Einsparung pro Jahr: 1‘530 CHF
Energiekostenentwicklung
0
5
10
15
20
25
30
"PrognosLzierte Preisentwicklung Heizöl"
"PrognosDzierte Preisentwicklung Heizöl"
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
SolarEis im Stadtarchiv Stumgart
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
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
Aktuelle Projekte
KlimaschutzsiedlungKöln-Porz
Die Zukun6
Nah-‐Kaltwärmenetze mit SolarEis-‐Primärenergiespeicher
Lage Ihrer Gemeinde
Das Nahwärmenetz mit SolarEis-‐Primärenergiespeicher an einem Projektbeispiel
Das Versorgungsprinzip
Anbindung an das Nahwärmenetz
(Eisspeicher)
Das Leitungssystem – die Verlegung
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 isol iert für Fernwärmeleitungen ca. 220 €/m DN 200. Hinzu kommt der durch den Transport entstehende Wärmeverlust, der laut AGFW bei bundesweit durch-‐schniwlich 12% liegt.
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
Das Versorgungsprinzip
Einspeisung von Stromüberkapazitäten aus: • Kra]werk • Wasserkra] • Photovoltaik • Windkra]
Das Versorgungsprinzip Der grundsätzliche Vorteil bei dem Transport der Wärme auf einem niedrigerem Temperaturniveau als dem der Umgebung ist, dass auf dem Weg zum Energ ieverbraucher 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.
Das Versorgungsprinzip
Leistungsbereich der Wärmepumpe
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.
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.
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.
Referenzen
Nah-‐Kaltwärmenetze mit SolarEis-‐Primärenergiespeicher –
Bereits realisierte Bauvorhaben / Projekte
1.586.000 Liter Wasservolumen 19 Meter Durchmesser, 6 Meter lichte Höhe Versorgung von 466 Bestandswohnungen
Wirtscha6lichkeit und NachhalLgkeit
Ergebnisse
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
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336 to/a
CO2 Vermeidung
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
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
MehrgeneraLonen-‐Wohnen und Mehrfamilienhäuser zur Miete
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Energie-‐Technik Plamenig
Isocal Generalvertretung Schweiz &
Liechtenstein
Stöckackerstr. 30
4142 Münchenstein www.isocal.ch