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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 1© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
ENERGIE.ZUKUNFT. ZAE.
Vakuumsuperisolation (VSI): Stand der Forschung und Entwicklung zu höchsteffizienter Dämmung und Wärmespeicherung im Gebäudebereich sowie in der energieeffizienten Industrie“
Dr. Thomas Beikircher, 29.3.2017, KarlsruheVortrag im Seminar Erneuerbare Energien von Prof. H. Fehrenbach
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 2
Inhalt
1. Einführung | Vorstellung ZAE Bayern
2. Dämmung und Vakuumsuperisolation (VSI) | physikalische Grundlagen
3. VSI-Speicher | solare Anwendung
4. Vakuumisolationspaneele (VIP) | Funktionsweise, Anwendungen
5. Hochtemperatur-VSI | Potenzial, Anwendungsmöglichkeiten
6. Wirtschaftlichkeit der VSI | Kosten, Amortisationszeiten
7. Zusammenfassung und Ausblick
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 3© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
Vorstellung ZAE Bayern
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 4
ZAE Bayern – Mission und Vision
Seit 1991 betreibt das ZAE:
• Forschung, • Umsetzung in die Praxis, • Aus-, Fort- und Weiterbildung und• Beratung und Information
auf allen Gebieten, die für die Energie-technik sowie die sich mit ihr befassenden Wissenschaften bedeutsam sind.
Ziel: Realisierung einer CO2-neutralenEnergieversorgung durch synergetischen Einsatz von Erneuerbaren Energien undEnergieeffizienztechnologien
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 5
Das ZAE in Zahlen (2015)
261 Projekte
16,5 Mio. €Jährlicher Umsatz
231 Mitarbeiter
1 Verein
37 Mitglieder
4 Mio. €Institutionelle Förderungdurch
3 Standorte Würzburg
ErlangenNürnberg
Garching
Hof
1 Infocenter
304 Partner2 Außenstellen
120Veröffentlichungen
93 Hochschulen & Institute
211 Unternehmen
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 6
Wissenschaftliche Bereiche
ERNEUERBARE ENERGIEN (RE)Standorte Erlangen|Nürnberg|Hof
Wiss. Leiter: Prof. BrabecBereichsleiter: Dr. Hauch
Wissenschaftliche Bereiche
ENERGIESPEICHERUNG (ES)Standort Garching
Wiss. Leiter: Prof. SpliethoffBereichsleiter: Dr. Hauer
ENERGIEEFFIZIENZ (EF)Standort Würzburg
Wiss. Leiter: Prof. DyakonovBereichsleiter: Dr. Ebert
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 7
Bereich Energiespeicherung (ES)
Flexibilität für Strom und Wärme
Bereich ESEnergie-speicherung
SystemEngineeringEnergiekonzepteStudien & Szenarien
Solarthermie &GeothermieSolare NahwärmeGeothermie
Thermische EnergiespeicherKälte und WärmeSpeichermaterialien
Elektrische EnergiespeicherRedox-Flow-BatterienElektrolyse
Wärme-transformationWärmepumpenKältemaschinen
Lehrstuhl fürTechnische Elektrochemie
HCV
SYS
SGT
TES
EES
~85 Mitarbeiter~5,5 Mio. € F&E-Mittel/Jahr~3500 qm Forschungsfläche
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 8
Das ZAE – Angewandte Forschungfür Industrie und Wirtschaft
ZAEZAE
1 2 3 4 5 6 7 8 9TRL (Technology Readiness Level)
Res
sour
cen
Akademische Forschung
PrivateWirtschaft
Grundlagen-forschung
AngewandteForschung
TechnologieEntwicklung
Prototypen &Systementwicklung
Von den Grundlagen bis zum Demonstrator
Das ZAE überbrückt die Lücke zwischen Grundlagenforschung und Vermarktung von neuen Technologien
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 9
Vom KMU bis zum Konzern
Partner des ZAE
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 10
Vom KMU bis zum Konzern
Partner des ZAE
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 11
Preise und sonstige Auszeichnungen
Auszeichnungen des ZAE
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 12© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
Vakuumsuperisolation (VSI)
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 13
ThermischeSolaranlage
Geschichte der VSI-Speicher-Entwicklung am ZAE
Speicher mit hohen Verlusten
Mineralwolle-Dämmung
Flüssiggas-Speicher mit Vakuumsuperisolation
Technologie-Transfer
-200 °C
90 °C
Linde Group
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 14
Wichtige Größen für Dämmung und Wärmespeicher
• U-Wert:streng genommen für ebene Geometrie,gute Näherung für d << R:
• Wärmeleitfähigkeit λ:Voraussetzung: Materialkonstante
Grundlagen der Wärmeübertragung
� =��
� ∙ ∆�=
��
� ∙ � − ��
� = � ∙
���
�
��
�
�
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 15© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
Wärmedämmtechniken
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 16
• Z.B. Mineralwolle, Polyurethan, Polystyrol, Schaumglas, Zellulose, Perlit, Blähtongranulat, …
• Vollständige Unterdrückung der Konvektion durch Hohlräume im µm- bis mm-Bereich
• Verringerung des Strahlungstransports durch Absorption und Streuung
• Wärmeleitung über Festkörperanteil sowie Gas (i.d.R. Luft) in den Hohlräumen
• Wärmeleitfähigkeit λ als Materialkonstante, enthält Festkörper-, Gas- und Strahlungsanteil:
• Untere Grenze: λ ≥ λLuft (0,026 W/mK bei 25 °C)
• Typische Werte: λ = 0,03–0,1 W/mK (bei 25 °C)
Konventionelle Dämmstoffe
� =�
⇒ �� = � ∙
�
∙ ∆�
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 17
Konventionelle Dämmung und Feuchte
F. Ochs et al., J. heat mass tr., http://144.206.159.178/ft/490/589701/12094719.pdf
Wärmeleitfähigkeiten bis zu 30fach erhöht , sogar über λWasser, bereits bei kleinem Wassergehalt, besonders kritisch oberhalb 70°C - 90°C
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 18
Vakuumisolation
• Z.B. Thermoskanne, Dewar-Gefäß
• Evakuieren eines dünnen Spalts zwischen zwei ineinander liegenden Behältern
• Vollständige Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung
• Keine Festkörperwärmeleitung (im Spalt)
• Ungehinderter Strahlungsaustausch zwischen Begrenzungswänden mit Emissionsgrad ε1 bzw. ε2:
• Pseudo-Wärmeleitfähigkeit (keine Materialkonstante):
�� =� ∙ � ∙ �
� ��
�
1
��1
�� 1
� � ∙ � ∙ � ��
�∗� � ∙ �
� ∙ ��� ��
�� � �� ∙
1
��1
�� 1 LepoRello (Wikipedia)
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 19
Vergleich der verschiedenen Isolationstechniken
0
50
100
150
0 2 4 6 8 10
Wär
mes
trom
dich
te [W
/m²]
Abstand d [cm]
konv. Dämmung
Perlit-VSI
VI (e = 0,05)
90 °C 10 °C
d(ε = 0,05)
q = λ/d ∆T
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 20
Vergleich der verschiedenen Isolationstechniken
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 2 4 6 8 10
Wär
mes
trom
dich
te [W
/m²]
Abstand d [cm]
konv. Dämmung
Perlit-VSI
VI (e = 0,05)
750 °C 10 °C
d(ε = 0,05)
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 21
• Doppelwandiger Stahlbehälter, druckfest
• Mikroporöses Pulver im Ringspalt
• Evakuierung der Dämmung(ca. 0,01 mbar)
VSI: „Befüllen“ des Vakuums mit Struktur (z.B. Pulv er)
Außenbehälter
Innenbehälter mitflüssigem Inhalt
Evakuierter Ringspalt mit Perlit-Füllung
Gesamtwärmeleitfähigkeit :
≈ 0,003 … 0,005 W/mK bei Tieftemperatur-Anwendungen (-200 °C)
≈ 0,007 … 0,009 W/mK bei Warmwasserspeicherung (100 °C)
≈ 0,0250 … 0,050 W/mK bei Hochtemperatur Anwendung (750 °C)?
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 22
VSI-Pulvermaterial: Expandiertes Perlit
• Rohperlit
• Vulkanisches Glas, Wasseranteil: 2–5 %
• Hauptvorkommen: Griechenland, Türkei, USA
• Chemische Zusammensetzung: SiO2 (65–75 %),Al2O3 (10–15 %), K2O, Na2O, Fe2O3, CaO, MgO
• Expansionsprozess
• Erhitzen auf ca. 1000 °C
• Erweichen des glasartigen Materials
• Verdampfen des gebundenen Wassers
• Porenbildung durch Volumenausdehnung
• Expandiertes Perlit
• Dichte: 50–75 kg/m³
• Porosität ca. 98 %
• Mittlere Porengröße im Bereich 10–100 µm
• Preis: 50–75 €/m³
Bergama
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 23
Wärmetransportmechanismen:
• Konvektion:Netto-Stofftransport (frei odererzwungen) in einem Fluid.
• Wärmeleitung (Konduktion):Diffusionsvorgang, i.d.R. Stößezwischen Teilchen.
• Strahlungstransport: Abstrahlungvon thermischer Energie (Photonen)aufgrund der Temperatur.
Grundlagen der Wärmeübertragung
� ��
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 24
Festkörperwärmeleitung & Kontaktwiderstände
Wärmeleitfähigkeit des massivenFestkörperanteils: ≈ 1 W/mK
Festkörperwärmeleitfähigkeit vonPerlit-Pulver: ≈ 0,001 W/mK
→ Reduktionsfaktor 1000
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 25
Druckabhängiger Gaswärmetransport
• Kontinuum:
• Freie Molekül-
bewegung:
Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden.
charfreicharfrei dldl =>−>>
26.01.2011 25Vakuumsuperisolation
0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000Druck in mbar
freilp*∝λ
Wär
mel
eitfä
higk
eit λ
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 26
Vergleich VI und VSI: Anforderungen an das Vakuum
Gaswärmeleitfähigkeit als Funktion des Vakuumdrucks bei verschiedenen Wandabständen d
0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
Gas
wär
mel
eitfä
higk
eit
Vakuumdruck [mbar]
d = 10 cm
10 - 410 - 510 - 6
λ=1/3 lfrei v n f/2 kB
lfrei ~ 1/n
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 27
0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
Gas
wär
mel
eitfä
higk
eit
Vakuumdruck [mbar]
d = 10 cm
d = 100 µm (Perlit)
Vergleich VI und VSI: Anforderungen an das Vakuum
Gaswärmeleitfähigkeit als Funktion des Vakuumdrucks bei verschiedenen Wandabständen d
Zulässiger Vakuumdruck:0,01 mbar anstatt 10 - 5 mbar
10 - 410 - 510 - 6
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 28
A) Strahlungsaustausch zwischen ebenen Platten (mit N Folien)
Strahlungsmitteltemperatur
B) Strahlungstransport im VSI-Pulver: Absorption + Re-Emission, Streuung
Massenspezifischer Extinktionskoeffizient , Erhöhung durch Zumischen von
Infrarot-Trübungsmitteln, (Fe2O3, SiC)
Strahlungstransport
( )r
rr Te
T*
3
3
16
⋅⋅⋅⋅=
ρσλ
( )( )321
2
2
2
1r TT TT4
1T ++=
( )Te*
)1(
1
111
4
21
3
+×
−+
⋅⋅⋅=N
dTrr
εε
σλ
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 29
BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGE-WANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.Walther Meissner 6, D-85748 Garching
( )r
*
3
rr
Te 3
T 16
ρσ=λ = 2,6 mW/mK
bei 100°C/20°Cund 100 kg/m³
Spektrometermessung: Extinktion von Perlit
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 30
VSI-Materialien
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
Wä
rme
leit
fäh
igk
eit
λ[m
W/m
K]
Gasdruck pGas [mbar]
Wärmeleitfähigkeiten VSI-Materialien
Polyurethanhartschaum Glasfasern
pyrogene Kieselsäure Aerogel
Perlit
• Perlit: Kosten nur 50 €/m³, 0,05 mbar erforderlich, 7-10 mW/mK erreichbar, 50 mW/mK bei 1000 mbar
• Pyr. Kieselsäure: 10mal teurer, nur 10 mbar erforderlich, 3-5 mW/mK erreichbar, 20 mW/mK bei 1000 mbar
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 31
Vergleich der Wärme-transportmechanismen
Pulver-VSIVakuum-
isolierung (VI)
Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung durch Evakuieren ���� ����
Warum dämmt eine Pulver-VSI besser als eine Vakuumisolierung (VI) in der Thermoskanne?
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 32
Vergleich der Wärme-transportmechanismen
Pulver-VSIVakuum-
isolierung (VI)
Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung durch Evakuieren ���� ����
Keine Wärmeleitung über Festkörper-material im Isolationsvolumen ���� ����
Warum dämmt eine Pulver-VSI besser als eine Vakuumisolierung (VI) in der Thermoskanne?
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 33
Vergleich der Wärme-transportmechanismen
Pulver-VSIVakuum-
isolierung (VI)
Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung durch Evakuieren ���� ����
Keine Wärmeleitung über Festkörper-material im Isolationsvolumen ���� ����
Verringerung des Strahlungstransports durch Absorption und Streuung ���� ����
Warum dämmt eine Pulver-VSI besser als eine Vakuumisolierung (VI) in der Thermoskanne?
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 34
Vergleich der Wärme-transportmechanismen
Pulver-VSIVakuum-
isolierung (VI)
Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung durch Evakuieren ���� ����
Keine Wärmeleitung über Festkörper-material im Isolationsvolumen ���� ����
Verringerung des Strahlungstransports durch Absorption und Streuung ���� ����
Insgesamt ++ +
Warum dämmt eine Pulver-VSI besser als eine Vakuumisolierung (VI) in der Thermoskanne?
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 35
Zusammenfassung: Wärmetransport in der Pulver-VSI
Die hervorragende Dämmwirkung der Pulver-VSI erklärt sich wie folgt:
Konvektion
Wärme-strahlung
Moderates Evakuieren
Kleine Kontakt-flächen d. Körner
Absorption und Streuung, ggf. mit
Trübungsmittel
Festkörper-wärmeleitung
Gas-wärmeleitung
Vollständige Unterdrückung
Deutliche Verringerung
Deutliche Verringerung
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 36
Wärmetransport in einer VSI
FolienFasern PulverSchaum
Konvektion
Gaswärmeleitung
Vakuumsuperisolation
Wärme-
strahlung Festkörper-
wärmeleitung
EvakuierenAbsorption +
Streuung
kleinste
Kontakte,
„Umwege“
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 37
VSI mit Folien
26.01.2011 37Vakuumsuperisolation
Mars Reconnaissance Orbiter, 2005-2008
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 38
Ca. 20 - 40 metallbedampfte Kunststofffolien („Spiegel“) Netz aus Seide oder Kunststoff als Abstandshalter (→ Festkörperwärmebrücken)
Strahlungsreduktion in der Praxis bis zu 95% , Q ̴ 1/(N + 1) Hochvakuum erforderlich, aber leichter evakuierbar
λ = 0,001-0,002 W/mK erreichbar
Bei terrestrischen Anwendungen:
• Zu hoher Aufwand
• Zu hohe Kosten
26.01.2011 38Vakuumsuperisolation
VSI mit Folien
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 39
VSI mit Pulver
Quelle: http://www.perlite.it/en/what_s_Perlite.asp
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 40
• BMU Förderkennzeichen 0325964A
• 16 m³-Speicher im Heizungssystem eines
Bürogebäudes
• Außendurchmesser 2,4 m
• Tinnen: 87 °C, Taußen: - 4 °C
• Gemessene Auskühlrate: 0,23 °C pro Tag
konventionelle Speicher : 1–3 °C pro Tag
Beispielprojekt: „Superisolierter Heißwasser-Langzeitwärmespeicher“, ZAE Bayern (2012)
Verbesserung um Faktor 4 – 10
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 41
Modellierung des Wärmetransports und Betrachtung der einzelnen Transportmechanismen
Optimierung für Warmwasserspeicher:T = 100 °Cp = 0,01 mbarρ = 65 kg/m³λ = 0,007 W/mK
0
0,002
0,004
0,006
0,008
Strahlung Festkörper Gas
Beikircher T., Demharter M. Journal of Heat Transfer,135, 051301. (2013)
Heat Transport in Evacuated Perlite Powders for Super-Insulated Long-Term Storages up to 300 °C
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 42
Fa. Hummelsberger, Mühldorf am Innvakuumpufferspeicher.de
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 43
Zusammenführung Innen- & Außenbehälter
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 44
Befüllung mit Perlit
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 45
Evakuieren des Ringspalts
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 46
λeffundoptimale Schüttdichte für beliebige
Speichertemperatur
( )r
*
3
rr
Te 3
T 16
ρσ=λ
21s C C +ρ=λ
( )r
*
1
3
ropt
Te C 3
T 16 σ=ρ
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 47
BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGE-WANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.Walther Meissner 6, D-85748 Garching
Simulation von solaren Anwendungsfällen
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 48
Solarer Deckungsgrad f = Einsparung konventionelle r Energie
%(konv)Etot
(solar)Etot(konv)Etotf sav 100⋅−
=
Vergleich des konventionellen Energieverbrauchs des solaren mit einem rein konventionellem Wärmeerzeugungssystem
<- ->
solar konventionell
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 49
Warmwasser (4 Personen): 3500-4500 kWh/a
Heizwärmebedarf• Altbau „mittel “: 150 kWh/m²a 27000 kWh/a• Altbau „normal“ saniert: 100 kWh/m 18000 kWh/a • Neubau Niedrigenergiehaus: 50 kWh/m²a 11000 kWh/a• Neubau Passivhaus: 15 kWh/m²a 6000 kWh/a
Energieinhalt Wasserspeicher: 60-100 kWh/m³ -> 10-300 m³ Volumen für Jahresenergiebedarf erforderlich (saisonale Speicherung ohne Auskühlung, ohne Durchmischung)Wärmegewinn von Sonnenkollektoren: typisch 400 kWh/m²a, also 15 – 75 m² Kollektorfläche erforderlich ohne Speicherverluste, ohne Stagnation
Einfamilienhaus: Energieverbrauch, Speichervolumen u nd Kollektorfläche für solare Volldeckung
-> Hohe solare Deckungsgrade nur über Reduktion des Energiebedarfs
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 50
Solaranlage mit hohem Deckungsgrad und VSI-Speicher: Systemsimulationen
200 l/dbei 50°C
35 °C Vorlauf25 °C Rücklauf
150 m² München
Einfamilienhaus am Standort München
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 51
Simulationen, EFH 150 kWh/m²a, Altbau, Flachkollektoren mit 2,3 m²
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 520
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 5 10 15 20
Anzahl der Kollektoren
Sol
arer
Dec
kung
sgra
d
1 m³ PU hart - Speicher RK1 m³ PU hart - Speicher5 m³ PU hart - Speicher7 m³ PU hart - Speicher11 m³ PU hart - Speicher15 m³ PU hart - Speicher20 m³ PU hart - Speicher30 m³ PU hart - Speicher1 m³ VSI - Speicher RK1 m³ VSI - Speicher5 m³ VSI - Speicher7 m³ VSI - Speicher11 m³ VSI - Speicher15 m³ VSI - Speicher20 m³ VSI - Speicher30 m³ VSI - Speicher
Simulationen, 50 kWh/m²a, NiedrigenergiehausFlachkollektoren mit 2,3 m²
10 m² FPC
27 m² FPC
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 53
Simulationen, EFH 15 kWh/m²a, PassivhausFlachkollektoren mit 2,3 m²
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 5 10 15 20
Anzahl der Kollektoren
Sol
arer
Dec
kung
sgra
d
1 m³ PU hart - Speicher
5 m³ PU hart - Speicher
7 m³ PU hart - Speicher
11 m³ PU hart - Speicher
15 m³ PU hart - Speicher
20 m³ PU hart - Speicher
30 m³ PU hart - Speicher
1 m³ VSI - Speicher
5 m³ VSI - Speicher
7 m³ VSI - Speicher
11 m³ VSI - Speicher
15 m³ VSI - Speicher
20 m³ VSI - Speicher
30 m³ VSI - Speicher
10 m² FPC10 m² FPC
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 54
Pilotanlage
VSI PUfsav 65% 60%
Simulationen, EFH Melzer, 230 m², 150 kWh/m²a
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 55
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 56
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 57
11 m³ VSI-Speicher
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 58
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 59
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 60
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 61
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 62
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 63
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 64
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 65
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 66
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 67
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 68
Vakuum: Langzeitverhalten über 20 Jahre, 1. Prototy p
Nach 20 Jahren 1,4 mbar, λ = ?? mW/mK, Pyrogene Kieselsäure: 5 mW/mK
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 69
Ergebnisse der Labormessungen: Druckabhängigkeit de r Gaswärmeleitung (Poren + Kornzwischenräume)
Anfangsdruck im ersten16,5 m³ Prototypen
Druck nach 20 a im ersten16,5 m³ Prototypen
Nach 20 Jahren 1,4 mbar -> Perlit: λ = 20 mW/mK, pyrogene Kieselsäure: 5 mW/mK
3fach besser als trockene Mineralwolle, Nachevakuieren einfach möglich
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 70
Zusammenfassung der Simulationsergebnisse VSI in So laranlage
VSI-Dämmung
• spart Kollektorfläche bei gleicher solarer Deckung und Speichervolumen
• VSI-Dämmung erhöht solare Deckung bei gleicher Kollektorfläche und Speichervolumen
Hohe solare Deckungsgrade ( > 75%) sinnvoll nur mit großem VSI-Speicher.
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 71© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
Vakuumisolationspaneele (VIP)
Lichtblau Architekten
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 72
Druckfestes VSI-Pulver: Pyrogene Kieselsäure
• Herstellungsprozess: Flammenhydrolyse von SiCl4
• SiO2-Tröpfchen (Primärpartikel)
• Verschmelzen zu Aggregaten
• Anlagerung zu Agglomeraten
• Chemische Bestandteile: Reines SiO2 (>99,8 %)
• Eigenschaften
• Dichte: 50–120 kg/m³
• Porosität ca. 98 %
• Mittlere Porengröße im Bereich 10–100 nm
• Eigenstabil gegen Vakuumdruck
• Preis: 250–350 €/m³ Evonik Industries
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 73
• Kern: gepresste pyrogene Kieselsäure + evtl. Trübungsmittel
• Diffusionsdichte Hülle: 2 Varianten
• 6 µm Al-Folie
• PE-Folie mit Al-Beschichtung (30nm)
Aufbau von VIPs
energie-tib
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 74
Wärmeleitfähigkeit: λ ≈ 0,005 W/mK
• Gebäudedämmung
• Altbausanierung
• Energetisch optimierte Neubauten
(Niedrigenergie-, Passivhaus)
• Transport, z.B. von gekühlten Medikamenten
→ Platzersparnis
• Kältetechnik (Kühlschränke, etc.)
VIP-Anwendungen: ebene Geometrien
HASIT
va-Q-tec
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 75© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
Hochtemperatur-VSI
Oetinger
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 76
Potenzialanalyse Hochtemperatur-VSI
Wärmeleitfähigkeit verschiedener Hochtemperatur-Dämmstoffe in Abhängigkeit der Temperatur und Vergleich mit theoretisch erwarteten (nicht experimentell gesicherten) Werten für eine Perlit-VSI.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Wär
mel
eitfä
higk
eit [
W/m
K]
Temperatur [°C]
Mineralwolle (belüftet)
HT-Mineralwolle (belüftet)
Silikatfasermatten (belüftet)
Calciumsilikatplatten(belüftet)
pyr. Kieselsäure (belüftet,mikroporös, getrübt)
Perlit-Pulver (evakuiert)
Perlit-Pulver (evakuiert,getrübt)
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 77
Materialoptimierung für den Hochtemperatur-Bereich
Nicht-optimiertes VSI-Pulver:Expandiertes PerlitT = 380 °C (Mitteltemperatur)p = 0,01 mbarρ = 65 kg/m³Kein IR-Trübungsmittelλ ≈ 0,05 W/mK
HT-optimiertes VSI-Pulver:Perlit (oder pyrogene Kieselsäure)T = 380 °C (Mitteltemperatur)p = 0,01 mbarρ = 90 kg/m³IR-Trübungsmittel, z.B. SiC, Fe3O4λ ≈ 0,02 W/mK
0
0,02
0,04
0,06
Festkörper Strahlung Gas
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 78
Materialoptimierung für den Hochtemperatur-Bereich
Nicht-optimiertes VSI-Pulver:Expandiertes PerlitT = 380 °C (Mitteltemperatur)p = 0,01 mbarρ = 65 kg/m³Kein IR-Trübungsmittelλ ≈ 0,05 W/mK
HT-optimiertes VSI-Pulver:Perlit (oder pyrogene Kieselsäure)T = 380 °C (Mitteltemperatur)p = 0,01 mbarρ = 90 kg/m³IR-Trübungsmittel, z.B. SiC, Fe3O4λ ≈ 0,02 W/mK
Die angegebenen Werte sind Abschätzungen und Extrapolationen!
0
0,02
0,04
0,06
Festkörper Strahlung Gas
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 79
Anwendungsfelder für Hochtemperatur-VSI
• Transportbehälter für Flüssigaluminium
• Höhere Reichweite
• Niedrigerer Energiebedarf
• Niedrigere Außentemperatur
• Höheres Nutzvolumen
Bartz Maschinenbau
Bild Quelle Herpa
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 80
Bisherige Dämmung der Behälter:
• Verlust: 10 °C pro Stunde
• Behälterinhalt: 6 t Aluminium ≈ 2,5 m3
• Oberfläche: ≈ 9 m2
• U-Wert: ≈ 3 W / m2 K
Beispielrechnung für Flüssigaluminium -Behälter
Potenzial der Pulver-VSI:
• Wärmeleitfähigkeit: 0,025 – 0,05 W / m K
• 5 cm Dämmstärke (→ Nutzvolumen)
• U-Wert: 0,5 … 1 W / m 2 K
Pulver-VSI
Flüssig-aluminium
Temperaturverlust ca. 2–4 °C pro Stunde (ohne Decke l)
Bartz Maschinenbau
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 81
Anwendungsfelder für Hochtemperatur-VSI
• Transportbehälter für Flüssigaluminium
• Höhere Reichweite
• Niedrigerer Energiebedarf
• Niedrigere Außentemperatur
• Höheres Nutzvolumen
• Industrielle Hochtemperatur-Prozesse
• Industrieöfen & Prozesskammern
• HT-Wärmespeicher zur Abwärmenutzung
• Dämmung von Rohrleitungen
Deutsche Fotothek
Bartz Maschinenbau
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 82
Aluminium -Schmelzöfen
• Z.B. Drehtrommelöfen, Gießöfen
• Herausforderung: Konstruktive Realisierungeines evakuierbaren Hohlraums
• Potential: Erhöhung der Energieeffizienz durch deutliche Reduzierung der Wärmeverluste
Hertwich
Steuler
Seco/Warwick
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 83
Abwärmespeicher
• ZAE-Projekt „Industrielle Abwärmenutzung einer Gießerei“, BMWi-gefördert
• Zwischenspeicherung diskontinuierlicher Abwärme aus Rauchgas
• Zweistoffspeicher (Thermo-Öl + Feststoff) mit T = 300 °C, VSI
• Nutzung der Wärme in einem Trocknungsprozess
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 84
Rohrleitungen
• Wärmeträger: Dampf, Thermo-Öl, Luft
• Konstruktion doppelwandiger VSI-Rohre bereits seit ca. 1985 bekannt aus der Fernwärmetechnik (bis 180 °C)
Alsa Group
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 85
Hochtemperatur-VIPs?
• Kunststoff-Folien: generell ungeeignet
• Aluminium-Folien: Erhöhte Gasdiffusion bei hohen Temperaturen
• Ausweichen auf Stahlhüllen notwendig (VIS)
• Folien (50 µm) → aufwendige Fertigung
• Bleche → verschweißbar
US patent 4517263 A
BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGE-WANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.Walther Meissner 6, D-85748 Garching
Parallele-Platten-Apparatur mit Variation von ρ, p, T, Pulvermischung, Trübung
Labormessungen zur Wärmeleitfähigkeit von Perlit bei verschiedenen
Temperaturen, Schüttdichten und Vakuumdrücken
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 88
BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGE-WANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.Walther Meissner 6, D-85748 Garching
( )r
*
3
rr
Te 3
T 16
ρσ=λ
Spektrometermessung: Extinktion von Perlit
Mit Trübung
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 89© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
Wirtschaftlichkeit der VSI
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 90
Amortisation eines VSI-HT-Speichers
• Vergleich: 25 m³ VSI-Speicher mit 20 cm Dämmung im Ringspalt gegenüber konventionellem Speicher mit 20 cm Mineralwoll-Dämmung
• Speichertemperatur 600 °C, Außentemperatur 0 °C
0
10.000
20.000
30.000
40.000
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Kos
ten
[€]
Zeit [Jahre]
• Zusätzliche Investitions-kosten: 17.750 €
• Jährliche Einsparung: 6.140 €
• Amortisationszeit:ca. 3 Jahre
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 91© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
Zusammenfassung und Ausblick
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 92
• Vakuumsuperisolation (VSI) ist die heute bestmögliche Dämm-Methode, moderate Vakua sind ausreichend. Wärmeleitfähigkeiten 1 -10 mW/mK (-200 °C bis 200°C).
• In der Praxis: VSI mit Perlit erreicht bei Heißwasserspeichern bis 150°C ca. 5-mal bessere Isolationswerte als konventionelle Dämmstoffe, VIPs noch besser (< 70°C).
• Bei 750 °C werden unter Einsatz eines Infrarot-Trübungsmittels Werte erwartet, die
um einen Faktor 3 bis 10 unter denen heutiger Hochtemperatur-(HT) Dämmstoffe
bzw. Feuerfest-Materialien liegen bei besserer Ökonomie.
• Experimentelle Bestätigung der Wärmeleitfähigkeit ist für den HT-Bereich noch nicht
erfolgt (Forschungsbedarf). Physikalische Modellierung fortgeschritten.
• Je nach Anwendung kann auch die vakuumdichte HT-Einhüllung der VSI-Pulver
konstruktiv herausfordernd sein (Geometrie/Druckfestigkeit, Entwicklungsbedarf).
Zusammenfassung und Ausblick
Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 93© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Dr. Thomas BeikircherMatthias Demharter, M.Sc.
ZAE BayernBayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. Bereich: Energiespeicherung
Walther-Meißner-Str. 6D-85748 Garching
Tel.: +49 89 329442-51Fax: +49 89 329442-12
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