Vakuum-superisolierte (VSI) Wärmespeicher für Wohngebäude und Industrie

Vakuumsuperisolation (VSI) ist eine hocheffiziente Methode zur Wärmedämmung mit 5-10fach besserer Dämmwirkung als konventionelle Dämmstoffe. Das Funktionsprinzip eines VSI-Speichers ist ähnlich einer Thermoskanne, wo der Zwischenraum eines doppelwandigen Behälters evakuiert und dadurch der Gaswärmetransport unterdrückt wird. Damit ist bereits eine gute Dämmwirkung verbunden, jedoch findet noch ein Wärmeverlust durch IR-Strahlung von heißer zu kalter Behälterwand statt, der mit wachsender Temperatur stark ansteigt. Dieser wird durch Einbringen eines mikroporösen Pulvers unterbunden, wobei die zusätzliche Festkörper-wärmeleitung sehr gering ist und eine kostengünstige Evakuierung ins Feinvakuum (< 1 mbar) zur totalen Unterdrückung der Gaswärmeleitung ausreicht.

 

Abb. 1: VSI-Heißwasserspeicher für die Langzeitspeicherung in einer solarthermischen Anwendung bis 105 °C mit patentiertem Schichtenlader (Mitte).

 

Nach diesem Prinzip entwickelte das ZAE Bayern gemeinsam mit der Fa. Hummelsberger, Mühldorf, einen vakuum-superisolierten (VSI-) Heißwasserspeicher, siehe Abbildung 1. Das Projekt wurde vom Deutschen Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit gefördert (Kennzeichen 0325964A), siehe auch (BINE, 2014) und den Abschlussbericht zu 0325964A, erhältlich bei tib-hannover.de. Hierbei wurde das natürliche, ungiftige und preiswerte Perlit als Pulvermaterial ausgewählt, im Labor im Detail untersucht und der Wärmetransport theoretisch im Detail modelliert (Beikircher and Demharter, 2013). Expandiertes Perlit weist eine hochporöse Struktur mit einer mittleren Porengröße von ca. 100 µm und Dichten zwischen 50 und 120 kg/m³ auf, siehe Abbildung 2.

 

Abb. 2: (links) Expandiertes Perlit “Technoperl C 1.5” (Stauss Perlite) (rechts) REM-Aufnahme von einzelnen Perlit-Körnern (Bild: KIT).

 

Im Labor ergab sich für Speichertemperaturen von 90 °C bei einem Vakuumdruck von 0,01 mbar für die effektive Gesamtwärmeleitfähigkeit der VSI-Dämmung ein Wert von lediglich 7 mW/Km gegenüber 30-50 mW/Km für konventionelle Dämmungen wie PU oder Mineralwolle. Dazu kommt noch, dass Feuchte- und Degradationsprobleme bei einer VSI-Dämmung nicht auftreten. Zur Beladung des Speichers wurde auch eine effiziente Schichtladeeinrichtung entwickelt, siehe Abbildung 1, mittleres Rohr. Auf Basis der Projektergebnisse vertreibt die Fa. Hummelsberger bereits heute kommerzielle VSI-Speicher mit Volumina zwischen 2 und 50 m³ und Anwendungstemperaturen bis 105°C. Dabei werden im realen Betrieb bei 0,08 mbar und 90°C Speichertemperatur exzellente Werte von 9 mW/mK für die effektive Gesamtwärmeleitfähigkeit der Speicherhülle erzielt. Der Verlustwert U eines solchen Speichers inklusive Anschlüsse liegt damit, abhängig von Größe und Ausführung, bei 0,05 bis 0,15 W/m²K, was der höchsten Energieeffizienzklasse A+ der neuen EU-Verordnung entspricht. Die allermeisten Solarspeicher erreichen nur die Energieeffizienzklasse C. Pro Tag kühlt z. B. ein 16 m³ Heißwasserspeicher um lediglich ca. 0,2 K aus, die Halbwertszeit der Auskühlung liegt bei einem Dreivierteljahr verglichen mit ca. 2,5 Monaten für die besten konventionellen Speicher, siehe Abbildung 3. Der VSI-Speicher kann wegen der robusten Stahlhülle im Freien aufgestellt oder vergraben werden und ist damit im Gebäudebestand leicht nachrüstbar. Bei Innenaufstellung vermeidet er wegen seiner exzellenten Dämmwerte unerwünschte Gebäudeerwärmung.

In Systemsimulationen wurde ermittelt, dass durch die Verwendung von VSI-Speichern bei thermischen Solaranlagen Kollektorfläche und/oder Speichervolumen bei gleicher solarer Deckung eingespart werden kann. Höhere Deckungsgrade nahe der Volldeckung sind zudem nur mit großen (> 5 m³) superisolierten Speichern sinnvoll realisierbar. Superisolierte Speicher sind prinzipiell auch sehr gut zur Speicherung von Prozesswärme in der Industrie oder von Fernwärme geeignet, wo hohe Temperaturen und große Speicherzyklenzahlen auftreten. Auch in Nahwärmekonzepten kann der Einsatz von (saisonalen) VSI-Wärmespeichern vorteilhaft sein.

Abb. 3: Abnahme der Speichertemperatur in zwei verschiedenen Speichertypen über die Speicherzeit, exemplarisch dargestellt für 16,5 m³ Speichervolumen und 200 mm Wärmedämmung. VSI-Speicher (blau, Messwerte) im Vergleich mit einem fabrikneuen PU-gedämmten konventionellen Speicher (schwarz, gerechnet nach Datenblatt). Für den VSI-Tank braucht es 8,5 Monate bis der Speicherinhalt auf die halbe Temperatur abgekühlt ist, beim besten konventionellen Tank ist dies bereits nach 2,5 Monaten der Fall.

 

Daher wird momentan an einer Erweiterung der Anwendung von Perlit-basierten VSI-Speichern auf höhere Temperaturen (bis 700 °C für die Speicherung industrieller Prozesswärme) und größere Volumina (bis zu 10.000 m³, für große Nah- oder Fernwärmespeicher) geforscht (IRES, 2015). Derartige Anwendungen erfordern neue Speichergeometrien sowie andere Herstellungsmethoden und Materialien für die vakuumdichte Hülle des Perlitpulvers. Ebenso müssen die Eigenschaften des Perlitpulvers bei hohen Temperaturen verbessert werden, um den Strahlungsanteil der thermischen Verluste, der mit der 4. Potenz der absoluten Anwendungstemperatur steigt, zu reduzieren. Dies gelingt durch Beimischung von im Infraroten absorbierenden oder streuenden Materialien, wie SiC, Ruß oder TiO2. Schließlich müssen auch neue Speichermaterialien wie Wasserdampf, PCM-Materialien, Thermoöl oder feste Speichermedien wie feuerfeste keramische Steine, z. B. Fe2O3 (Maghemit) in Kombination mit der VSI-Speicherhülle getestet werden. Dabei spielen auch thermische Belastungen durch Ausdehnung und Zusammenziehen beim Laden und Abkühlen des Speichers eine wichtige Rolle.

Ein aktuelles Projekt des ZAE Bayern untersucht die Anwendbarkeit eines Perlit basierten VSI-Speichers bis 300 °C in einer Gießerei. In dem öffentlich geförderten Projekt (“Industrielle Abwärmenutzung einer Gießerei durch thermische Energiespeicherung in Kombination mit einem Absorptionsprozess”, Förderkennzeichen 03ESP370B, 2013-2016, des Deutschen Wirtschaftsministeriums, wird die Abwärme eines Schmelzofens im VSI-Speicher gespeichert, um sie später als Prozesswärme, Prozesskälte oder zum Heizen der Firmengebäude zu verwenden. Das Speichermedium besteht aus drucklosem Thermoöl in direktem Kontakt mit einem dicht gepackten Steinbett.

Berechnungen zu Kapitalrendite (ROI) und energetischer Amortisationszeit für VSI-Speicher zeigen das große Potenzial, naturgemäß vor allem bei hohen Anwendungstemperaturen, aber eben auch im Niedertemperaturbereich: So wurden in (Stolz, 2012) unabhängige Berechnungen für die deutsche Brauindustrie durchgeführt. Dabei wurde für eine Brauerei bei 82 °C Speichertemperatur ein 12 m³ Speicher mit 200 mm VSI-Dämmung in Außen-Aufstellung mit einem gleichgroßen Standardtank mit 100 mm Mineralwolldämmung verglichen. Das jährliche Energieeinsparpotenzial beläuft sich auf 16.000 kWh, woraus sich unter Berücksichtigung der Mehrinvestition von 10.000 € eine statische Amortisationszeit (ROI) des VSI-Speichers von lediglich 6 Jahren ergibt. Hochgerechnet auf die gesamte deutsche Brauindustrie ergibt sich durch Substitution aller konventionellen durch VSI-Speicher eine mögliche Ersparnis von 44.000 MWh/a, was 16.000 t CO2/a entspricht.

Ansprechpartner

Dr. Thomas Beikircher, Dipl.-Ing. Gloria Streib

Tel.: +49 89 329442-58

E-Mail: Thomas.Beikircher@zae-bayern.de

Weiterführende Literatur

(Beikircher and Demharter, 2013): T. Beikircher, M. Demharter, "Heat Transport in Evacuated Perlite Powders for Super-Insulated Long-Term Storages up to 300 °C," Journal of Heat Transfer, 135(5), 051301 (2013) (11 pages), 2013.

(BINE, 2014): http://www.bine.info/fileadmin/content/Presse/Projektinfos_2014/PM_14_2014/ProjektInfo_1414_internetx.pdf

(IRES 2015): Proceedings of the 9th International Renewable Energy Storage Conference IRES 2015, Düsseldorf, Germany, T. Beikircher, M. Reuß, G. Streib, Vacuum super insulated heat storage up to 400 °C.

(Stolz, 2012): F. Stolz, "Wie in der Thermoskanne", Brauindustrie, Nr. 03, pp. 47-51, 2013.

Über das ZAE Bayern

Als eine der führenden Einrichtungen auf dem Gebiet der angewandten Energieforschung verbindet das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern) exzellente Forschung mit exzellenter Umsetzung der Resultate in die wirtschaftliche Praxis. Hierzu bietet das ZAE seinen Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft ein breites Leistungsspektrum an, das sich von messtechnischen Dienstleistungen über Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten bis zu kompletten Innovationspaketen erstreckt.

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