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Apr 06, 2024

Nachhaltige Wärmepumpen und Speicher für effektives Heizen und Kühlen

Die Nutzung der Energie der Sonne zur Deckung eines großen Teils des Heizbedarfs in Wohngebäuden ist für viele Klimazonen eine sinnvolle Option, aber bei wettbewerbsfähigen Kosten nicht einfach zu erreichen. Der

Die Nutzung der Energie der Sonne zur Deckung eines großen Teils des Heizbedarfs in Wohngebäuden ist für viele Klimazonen eine sinnvolle Option, jedoch nicht einfach zu erreichen und gleichzeitig kostengünstig zu sein. Das TRI-HP-Projekt zeigt, wie der Wärmebedarf von Gebäuden effizient und kosteneffizient mit Solarenergie unter Verwendung von sogenanntem Solareis gedeckt werden kann. Dieses Systemkonzept kombiniert solarthermische Kollektoren, Wärmepumpen und Eisspeicher zur Deckung des Energiebedarfs in wärmedominierten Regionen mit ausreichender Sonneneinstrahlung, z. B. Mitteleuropa. Der im Winter und Frühling anfallende Eisbrei kann in Klimazonen mit geringem Kühlbedarf als Zusatzfunktion zur freien Kühlung genutzt werden.

Solareisanlagen nutzen Solarthermiekollektoren als einzige Wärmequelle für die Wärmepumpe, die zusätzlich durch Photovoltaik (PV) betrieben werden kann. Solarthermische Kollektoren werden auch zur direkten Versorgung des Heiz- und Warmwasserbedarfs eingesetzt. Solange die Sonne scheint oder die Umgebungstemperatur nicht zu niedrig ist, dienen Sonnenkollektoren als direkte Wärmequelle für die Wärmepumpe. In kalten Nächten oder Tagen mit geringer Sonneneinstrahlung wird der Eisspeicher als Wärmequelle genutzt. Der Eisspeicher fungiert als saisonaler Niedertemperatur-Solarspeicher (im Sommer geladen und im Winter entladen) mit einer sehr hohen Speicherenergiedichte im Bereich von 80 kWh/m3. Ein konzeptionelles Schema des Sonneneissystems ist in Abb. 1 zu sehen.

Das Solar-Eis-Gülle-System kann mit Erdwärmepumpen (GSHP) verglichen werden und hat den Vorteil, dass keine Bohrlöcher gebohrt werden müssen und somit nicht durch Wasserschutzgesetze eingeschränkt werden. Darüber hinaus besteht keine Notwendigkeit, den Boden wie bei Bohrlöchern zu regenerieren, selbst wenn der Speicher im Boden vergraben ist, da er sich jährlich durch Sonnenenergie regeneriert.

Die wichtigste von TRI-HP vorgeschlagene Innovation ist die Entwicklung des Eisaufschlämmungskonzepts mit der Unterkühlungsmethode, die die Wärmetauscher im Eisspeicher eliminiert und die Systeminstallationskosten um 10 % senkt. Darüber hinaus ist die Wärmeübertragungsfläche (Unterkühler) stets eisfrei und weist im Vergleich zu herkömmlichen Ice-on-Coil-Systemen einen höheren Wirkungsgrad auf. Mit dieser Innovation wird erwartet, dass Solar-Eisaufschlämmungssysteme in zukünftigen Szenarien bei gleicher Systemeffizienz ähnliche Kosten wie GSHP verursachen werden, ohne dass Bohrlöcher gebohrt oder regeneriert werden müssen.

Eines der größten technologischen Hindernisse für Eisaufschlämmungssysteme mit der Unterkühlungsmethode ist die Entwicklung von Wärmetauschern, die einen Betrieb bei Wassertemperaturen unter 0 °C ohne Gefrieren ermöglichen. Im Rahmen des TRI-HP-Projekts haben wir langlebige eisabweisende Beschichtungen entwickelt, die in turbulenten Wasserströmungen funktionieren und es ihnen ermöglichen, die Eisbildung für die notwendigen Arbeitsbedingungen zu unterdrücken. Sobald das Wasser in einer stabilen Form unterkühlt ist, wird es zu einem Eiskristallisator gepumpt, wo die Eisaufschlämmung gebildet wird, die dann im Eisaufschlämmungsbehälter gelagert wird. Der Unterkühlungsgrad ist definiert als die Differenz zwischen der tatsächlichen Gefriertemperatur und der Schmelztemperatur, die bei Wasser 0 °C beträgt.

Die getesteten TRI-HP-Unterkühler auf Basis gelöteter Wärmetauscher sind äußerst kompakt und erreichen Unterkühlungsgrade von bis zu 4 °C, was weit über den 2 °C liegt, die modernste japanische Technologien mit weniger kompakten Wärmetauschern erreichen. Die durchschnittliche Unterkühlungstemperatur wurde für sieben Gefrierzyklen für verschiedene eisphobe Beschichtungen bewertet, die in Abb. 2 als Punkte markiert sind.

Der Einsatz synthetischer Kältemittel begann um 1930. Seitdem wurden sie aufgrund der Zerstörung der schützenden Ozonschicht der Erde, des hohen Treibhauspotenzials (GWP) und der Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit reguliert. Dies hat zur Entwicklung von drei Generationen synthetischer Kältemittel geführt. Die letzte Generation, die auf HFO basiert, zersetzt sich in der Atmosphäre unter Bildung von Trifluoressigsäure und Trifluoracetat, das das Trinkwasser verunreinigen kann. Daher ist die einzige dauerhafte und nachhaltige Lösung für Wärmepumpen die Verwendung natürlicher und umweltfreundlicher Kältemittel mit niedrigem GWP wie Kohlenwasserstoffe, Wasser, Ammoniak und Kohlendioxid (CO2). In diesem Zusammenhang wurden im Rahmen des TRI-HP-Projekts neue Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln (Propan und CO2) entwickelt und getestet.

Im Rahmen des TRI-HP-Projekts wurde die Integration von Unterkühlern in Wohnwärmepumpen für Heizanwendungen erfolgreich umgesetzt. Wir haben zwei Prototypen mit einer Leistung von rund 10 kW thermischer Leistung entworfen und hergestellt, einer mit Propan und der zweite mit einem transkritischen CO2-Kreislauf.

Die Ergebnisse für den Leistungskoeffizienten (COP) der beiden Wärmepumpen sind in Abb. 3 dargestellt. Datenpunkte bei einer Wassereintrittstemperatur von 0 °C im Verdampfer zeigen Situationen, in denen das Wasser dank der eisphoben Beschichtungen unterkühlt wurde, ohne zu gefrieren.

Neben den Unterkühlern gab es bei der CO2-Wärmepumpe eine weitere Innovation. Die Wärmepumpe verfügt über einen dreiteiligen Gaskühler mit drei Wärmetauschern zur effizienten gleichzeitigen oder getrennten Versorgung des Bedarfs an Raumheizung (SH) und Warmwasser (Warmwasser). In Abb. 3 (links oben) ist der Leistungskoeffizient (COP) der CO2-Wärmepumpe für die gleichzeitige Produktion von Warmwasser und Warmwasser als Funktion mehrerer Warmwassertemperaturen dargestellt. Für diese Ergebnisse werden die SH-Anforderungen bei 30/35 °C für Rücklauf-/Strömungsbedingungen vom/zum Fußbodenheizungsboden angegeben. Der COP liegt in den meisten Fällen zwischen 4 und 4,5 und sorgt gleichzeitig für hohe Temperaturen für den Warmwasserbedarf. Die Wärmepumpe ist sogar in der Lage, Warmwassertemperaturen bis zu 70 °C bei einem COP über 4 zu liefern.

Die Propan-Wärmepumpe kann entweder zur separaten Bereitstellung von SH- oder Warmwasserbedarf betrieben werden. Der in Abb. 3 (links unten) dargestellte COP für die Bereitstellung des SH-Bedarfs liegt im Bereich von 4,5 bis 6 für Neubauten (Versorgung bei 35 °C) und zwischen 3,5 und 5,5 für sanierte Gebäude (Versorgung bei 45 °C). und 40°C). Der COP sinkt auf etwa 2,8 bis 3,7, um den Warmwasserbedarf bei 55 °C und 60 °C zu decken.

Aus diesen Ergebnissen kann man schließen, dass die CO2-Wärmepumpe eine deutlich bessere Option für Neubauten mit einem hohen Anteil am Warmwasserbedarf ist. Andererseits ist Propan ein besserer Kandidat, um einen großen Teil des SH-Bedarfs zu decken.

Die Validierung der Solar-Eis-Güllesysteme erfolgte mithilfe des beschleunigten prägnanten Zyklustests (CCT), bei dem das gesamte Jahr durch sieben Tage dargestellt wird, die jeweils einen bestimmten Zeitraum des Jahres darstellen. Das CCT basiert auf einem Hardware-in-the-Loop-Ansatz, bei dem die Systeme autonom in einer relevanten Laborumgebung betrieben werden, als wären sie in einem realen Gebäude installiert. Die im Projekt entwickelten und zur Schaffung realitätsnaher Randbedingungen erforderlichen Komponenten wurden physisch im Labor installiert, wie beispielsweise die oben erläuterten natürlichen Kältemittel-Wärmepumpen, die Warmwasser- und Warmwasserspeicher, alle hydraulischen Elemente und deren Verbindungen Elemente sowie die Gesamtsteuerung des Systems, die einen autonomen Betrieb des Systems über mehrere Tage hintereinander ermöglicht. Die elektrische Batterie und der Wechselrichter wurden ebenfalls physisch installiert. Der Rest des Systems, einschließlich der Reaktion der Solarthermiekollektoren, der PV, des Eiskristallisators und des Eisbreispeichers, wurde simuliert und emuliert. Die Gebäudeanforderungen, einschließlich der Reaktion des Heizungsverteilungssystems (Fußbodenheizung), der Warmwasserentnahmeprofile und der Haushaltsstromprofile, wurden ebenfalls simuliert/emuliert, um realistische Randbedingungen für den Systembetrieb zu schaffen. Die im Labor installierten und getesteten Komponenten wurden im Verhältnis zur 10-kW-Heizleistung der Wärmepumpe dimensioniert und mithilfe von Simulationen das System an höhere Anforderungen von Mehrfamilienhäusern angepasst.

Die Eisbrei-Propan-Anlage zielt auf ein saniertes Mehrfamilienhaus mit einem spezifischen SH-Bedarf von 105 kWh pro beheizter Fläche und Jahr in der Stadt Zürich ab. Das experimentell getestete System erreichte einen jährlichen Systemleistungsfaktor (SPF), einschließlich des Stromverbrauchs des Wärmepumpenkompressors und aller Umwälzpumpen, von bis zu 4,8, was deutlich höher ist als der typische SPF, der von Erdwärmepumpen in diesem Klima erreicht wird typische Werte liegen in der Größenordnung von 4.

Die Eisschlamm-CO2-Anlage zielt auf ein neues Mehrfamilienhaus mit einem spezifischen SH-Bedarf von 30 kWh pro beheizter Fläche und Jahr in der Stadt Zürich ab. Dieses System wurde an 14 aufeinanderfolgenden Tagen getestet und erreichte erfolgreich einen jährlichen Lichtschutzfaktor von über vier für ein neues Gebäude mit hohem Warmwasserbedarf (60 % des Warmwasserbedarfs einschließlich Umwälzverlusten) bei hohen Temperaturen. Abb. 4 zeigt die Austrittstemperatur der CO2-Wärmepumpe zur Warmwasser- und SH-Versorgung und den Austritt des Verdampfers (Unterkühler) während zweier Wintertage, gefolgt von einem Frühlingstag. Während der gesamten Betriebszeit von fast zwei aufeinanderfolgenden Tagen war das Wasser während des Betriebs der Wärmepumpe ständig unterkühlt (der Eisspeicher gefrierte) und es wurde kein einziges unerwünschtes Gefrieren beobachtet. In diesem Test wurde die Erzeugung von Eis aus dem unterkühlten Wasser und dessen Speicherung in einem Eisbreitank simuliert und nachgeahmt. Diese Ergebnisse zeigen die Validierung des Systems unter realistischen dynamischen Randbedingungen, bei denen der Unterkühlungsansatz unter Verwendung eines kompakten Hartlötwärmetauschers mit eisphoben Beschichtungen stabil funktionierte. Für ein Scale-up-System sind ein Eisspeicher von 56 m3 und eine Kollektorfläche von 76 m2 notwendig, um den gesamten Wärmebedarf von 51 MWh zu decken.

Zum ersten Mal weltweit wurde im Labor ein stabiler Betrieb eines unterkühlten Schlamm-Wärmepumpensystems für Wohnraumheizungen validiert, was einen bedeutenden technologischen Fortschritt darstellt. Darüber hinaus war es möglich, sehr kompakte Lötwärmetauscher zu verwenden, die üblicherweise in modernen Wohnwärmepumpen als Unterkühler eingesetzt werden. Der nächste Schritt besteht darin, das Gesamtsystem mit einem echten Eiskristallisator und einem Eisaufschlämmungstank zu testen, die nicht im Rahmen des TRI-HP-Projekts entwickelt und daher in diesem Projekt nicht physisch getestet wurden.

Speicherung mit hoher Energiedichte zur Spitzenlastkühlung. Die im TRI-HP-Projekt entwickelte Eisaufschlämmungstechnologie unter Verwendung der Unterkühlungsmethode als effiziente Wärmequelle für Wärmepumpen in Wohnheizungsanwendungen kann auch für Kühlanwendungen eingesetzt werden. Tatsächlich ist dies wahrscheinlich das größte Marktpotenzial für diese Technologie weltweit. Die im Eis gespeicherte hohe Energiedichte kann genutzt werden, um die Spitzenkühllast für einige Stunden am Tag abzudecken und so den Stromverbrauch in Zeiten zu verlagern, in denen Strom günstig ist oder PV-Strom verfügbar ist. Allerdings sinkt die Effizienz der Kältemaschine erheblich, wenn sie zur Eisproduktion bei unter 0 °C betrieben wird, im Vergleich zur Wasserspeicherung, wo Energie viel näher am Kühlbedarf und -angebot gespeichert werden kann. Um dieses Problem zu lösen, wird das Folgeprojekt BEST-STORAGE ein Phase Change Material (PCM)-Schlammsystem entwickeln, das in der Lage ist, Energie bei etwa 6 bis 12 °C mit einer Energiedichte im Bereich von 35 kWh/m3 zu speichern ist sechsmal größer als die Wasserspeicherung bei einem Temperaturunterschied von 6°C. Darüber hinaus erhöht sich die Effizienz der Kältemaschine im Vergleich zur Eisspeicherung aufgrund der höheren Schmelztemperatur des PCM um mindestens 20 %. Das BEST-STORAGE-Projekt startete im Januar 2023 und wird im Jahr 2026 die PCM-Slurry-Technologie zur Verlagerung von Spitzenkühllasten in realen Anwendungen demonstrieren.

Bei dem oben erläuterten Solar-Eis-Konzept fungiert ein Eisbreispeicher als saisonaler Niedertemperaturspeicher, der im Sommer durch Sonnenenergie aufgeladen und im Winter größtenteils als Wärmequelle für die Wärmepumpe entladen wird. Dennoch muss die Wärmepumpe Strom verbrauchen, dessen Verfügbarkeit in den kältesten Winterperioden in fossilfreien Energieszenarien der Zukunft knapp sein könnte. Generell werden in kalten Wintermonaten, wenn Solarenergie knapp ist und erneuerbare Energien den Bedarf nicht vollständig decken können, große Energiemengen für die Wärmeversorgung von Gebäuden benötigt. Für eine vollständige Dekarbonisierung der Energieversorgungssysteme sind daher saisonale Speicherlösungen erforderlich, die den Wärmebedarf decken können. Im Rahmen des BEST-STORAGE-Projekts wird ein Hochenergiespeicher auf Basis einer thermochemischen Technologie weiterentwickelt und im Feld mit Versorgungswärmeleistungen bis zu 8 kW demonstriert. Das Speicherkonzept funktioniert als thermisch angetriebene Sorptionswärmepumpe auf Basis von wässrigem Natriumhydroxid (NaOH), einem reichlich vorhandenen und sehr kostengünstigen Material. Mit dieser Technologie wird überschüssige Energie aus intermittierenden erneuerbaren Quellen wie PV, Solarthermie oder Wind verlustfrei gespeichert und später in den kältesten Winterperioden genutzt.

An TRI-HP sind 11 Partner aus sieben verschiedenen europäischen Ländern (Belgien, Dänemark, Deutschland, Norwegen, Spanien, Schweden und Schweiz): sieben F&E-Partner (SPF-OST, TECNALIA, IREC, ISOE, NTNU, DTI, UASKA) und drei KMU beteiligt (HEIM, ILAG), ein großer Industriepartner (ALFA LAVAL) und eine NGO (REHVA). Das Projekt wird von SPF-OST koordiniert.

An BEST-STORAGE sind 12 Partner aus sieben verschiedenen europäischen Ländern (Belgien, Estland, Deutschland, Griechenland, Niederlande, Spanien und Schweiz) beteiligt: ​​drei F&E-Partner (CERTH, TECNALIA, TEKNIKER), drei Universitäten (SPF-OST, SUPSI, TUB), ein großer Industriepartner (GIROA/VEOLIA), drei KMU (AVA, NEWTON, SOLINTEL) und zwei gemeinnützige Verbände (EHPA, TREA). Die administrative Koordinierung erfolgt durch SOLINTEL und die technische Koordinierung wird von SPF-OST geleitet.

Das TRI-HP-Projekt wurde im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 814888 von Horizon 2020 der Europäischen Union gefördert. Das Projekt BEST-STORAGE erhielt im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101096516 Fördermittel von Horizon Europe der Europäischen Union.

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der dreizehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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