DE102010008059A1

DE102010008059A1 - Hochtempertur-Wärmespeicher-System

Info

Publication number: DE102010008059A1
Application number: DE102010008059A
Authority: DE
Inventors: Albrecht 65618 Kretzschmar; Ralf 64572 Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-08-18

Abstract

Hochtemperatur-Wärmespeicher-System, bestehend mindestens aus einem Wärmespeicher-Festkörper (1), dessen Material hochtemperaturfest ist und eine hohe Wärmespeicherzahl S besitzt, welcher verbunden ist mit einer Wärmeleitvorrichtung (2), die ebenfalls hochtemperaturfest ist und eine hohe Wärmeleitzahl A besitzt, mit einer vorgeschalteten Wärmeabsorbtions-Einheit (3), dessen Material ebenfalls hochtemperaturfest ist und eine hohe Absorbtionszahl α aufweist. Die Funktionsteile (1) bis (3) sind umgeben durch eine Wärme-Ultra-Isolation (4), die nur durch den Arbeits-Energie-Auslass (5) bei Bedarf durchbrochen ist. An oder in dem Wärmespeicher-Festkörper (1) befindet sich eine ebenfalls hochtemperaturfeste Wärme-Energie-Wandler-Einheit (6), die je nach Anwendung die gespeicherte Wärmeenergie in andere Energieformen oder Energiemengen umwandelt. Das System wird nach Bedarf ergänzt durch eine entsprechende Kontroll-Einheit (7) zur Steuerung der Sollfunktionen. Durch die Kombination von hohem Arbeitstemperaturbereich, Ultra-Isolation und ausreichender Dimensionierung entsteht ein einfaches und damit kostengünstiges Speichersystem, das die Funktion der Langzeit-Wärme-Speicherung zur Verfügung stellt. Insbesondere der Einsatz von regenerativen Energien lässt sich hiermit erheblich optimieren. Unter Einsatz von bekannten hochtemperaturfesten Materialien kann eine rationelle Fertigung sichergestellt werden. Das Einsatzgebiet erstreckt sich über die ganzjährige Beheizung von Wohn- und Bürohäusern, besonders auch der Altbestände, die Zwischenspeicherung und Pufferung der Energieversorgung bis hin zu kleineren mobilen Systemen in den Bereichen Camping, Automobil, Raumfahrt und Kommunikationstechnik.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochtemperatur-Wärmespeicher-System, dessen Verwendung, sowie ein Verfahren zum Einsatz in unterschiedlichen technischen Bereichen.
Bisher bekannt und im Einsatz sind hauptsächlich folgende Systeme der Wärmespeicherung: Wasserwärmespeicher, Latentwärmespeicher und thermochemische Speicher. Ein heutiger Temperaturspeicher z. B. als Zwischenspeicher einer Solar-Haus-Anlage arbeitet mit einem Warmwasserspeicher, dessen Wasser zwar eine hohe spezifische Wärmekapazität c aufweist, dessen Arbeitsbereich aber druckfrei nur bis max 100°C geht und bereits nach einigen sonnenfreien Tagen unter die Solltemperatur fällt.
Latentwärmespeicher funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums, wie z. B. des Phasenübergangs fest-flüssig. Beim Einsatz von Latentwärmespeichern zur langfristigen Solarwärmespeicherung der Heizenergie für den Winter sind die Anschaffungsinvestitionen höher, es ist jedoch platzsparender und wegen der Ausnutzung der Latentwärme gleichmäßiger als die Nutzung von Wassertanks oder Kies.
Hart-Paraffine schmelzen bei etwa 60 C, die Schmelzwärme liegt mit 200–240 kJ/kg um etwa einem Drittel niedriger als der Schmelzwärme für Wasser und die Wärmekapazität mit etwa 2,1 kJ/(kg K) halb so groß wie die von Wasser. Damit kann Paraffin in der Summe zirka 1,5 mal so viel Wärme speichern wie Wasser, bei dem Vorteil, dass 2/3 der Wärme dauerhaft über Monate hinweg im Phasenübergang gespeichert bleibt. Bei der Konstruktion eines Paraffin-Speichers muss berücksichtigt werden, dass sich sein Volumen beim Übergang von flüssig zu fest um etwa 30% vermindert.
Seit einiger Zeit wird auch an der thermochemischen Wärmespeicherung geforscht, die den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen nutzt: durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder freigesetzt. Solche Speicher sind jedoch noch vergleichsweise teuer; zudem sind die Reaktionen bei vielen Systemen relativ träge, so dass thermochemische Speicher die Wärmespeicherung im üblichen Speicherbehälter nur ergänzen, nicht aber ersetzen können.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch Einsatz einer intelligenten Kombination der Erhöhung der Wärmespeicherkapazität durch Arbeitstemperaturerhöhung von Hochtemperatur-Festkörperspeichern (1), einer Ultra-Isolation (4) zur Minimierung der Wärmeverluste und der entsprechenden konstruktiven Dimensionierung des gesamten Systems eine Langzeitwärmespeicherung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels eines Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1–11, eines Verfahrens nach Anspruch 12–14 sowie einer Anwendung nach Anspruch 15–20 gelöst.
Hierzu besteht das Hochtemperatur-Wärmespeicher-System mindestens aus einem Wärmespeicher-Festkörper (1), dessen Material hochtemperaturfest ist und eine hohe Wärmespeicherzahl S besitzt, welcher verbunden ist mit einer Wärmeleitvorrichtung (2), die ebenfalls hochtemperaturfest ist und eine hohe Wärmeleitzahl λ besitzt, mit einer vorgeschalteten Wärmeabsorbtions-Einheit (3), dessen Material ebenfalls hochtemperaturfest ist und eine hohe Absorbtionszahl α aufweist. Die Funktionsteile (1) bis (3) sind umgeben durch eine Wärme-Ultra-Isolation (4), die nur durch den Arbeits-Energie-Auslass (5) bei Bedarf durchbrochen ist. An oder in dem Wärmespeicher-Festkörper (1) befindet sich eine ebenfalls hochtemperaturfeste Wärme-Energie-Wandler-Einheit (6), die je nach Anwendung die gespeicherte Wärmeenergie in andere Energieformen oder Energiemengen umwandelt. Das System wird nach Bedarf ergänzt durch eine entsprechende Kontroll-Einheit (7) zur Steuerung der Sollfunktionen.
Der Begriff Wämespeicher-Festkörper (1) bezieht sich hierbei auf den Aggregatzustand „fest” und nicht auf die konstruktive Auslegung, Schüttgut wie z. B. Quarzsand kann ebenfalls zum Einsatz kommen.
Durch die Kombination von hohem Arbeitstemperaturbereich, Ultra-Isolation und ausreichender Dimensionierung entsteht ein einfaches und damit kostengünstiges Speichersystem, das die Funktion der Langzeit-Wärme-Speicherung zur Verfügung stellt. Insbesondere der Einsatz von regenerativen Energien lässt sich hiermit erheblich optimieren.
Zur Verdeutlichung liegt eine einfache Beispiel-Rechnung zugrunde, die die Wärmespeichermenge Q von Wasser und von Quarzsand vergleicht, bezogen auf das Volumen von 1 m³: Q = c·ρ·(ΔT), wobei c die spezifische Wärmekapazität, ρ die Dichte und ΔT den Temperatur-Arbeitsbereich darstellt. Es ergibt sich somit für das Speichermedium Wasser bei einem ΔT von 40°K: Q(Wasser) = 4,18·1·40 MJ/m³ = 167,2 MJ/m³, und für Quarzsand mit einem Hoch-Temperatur-Arbeitsbereich von ΔT = 600°K Q(Quarzsand) = 0,835·2,65·600 MJ/m³ = 1328 MJ/m³
Ein Speichervolumen für eine Jahreswärmemenge einer 90 m² Wohnung von ca. 32.000 MJ würde mit Wasser 191 m³ betragen, während für das Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1. ff ein Volumen von nur 24 m³ ausreichen würde.
Unter Einsatz von bekannten hochtemperaturfesten Materialien kann eine rationelle Fertigung sichergestellt werden. Das Einsatzgebiet ersteckt sich über die ganzjährige Beheizung von Wohn- und Bürohäusern, besonders auch der Altbestände, die Zwischenspeicherung und Pufferung der Energieversorgung bis hin zu kleineren mobilen Systemen in den Bereichen Camping, Automobil, Raumfahrt und Kommunikationstechnik.
Das Hochtemperatur-Wärmespeicher-System weist den Vorteil auf, dass es beim Einsatz von regenerativer Energie wie Solarenergie auf den zusätzlichen Einsatz von weiteren Heizungen vollständig verzichtet werden kann. Zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades wird eine Ultra-Isolation verwendet. Es wird bevorzugt, den Standort des Systems so zu wählen, dass eventuelle. Wärmeverluste auch als Nutzwärme eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil ist der Verzicht auf teure bewegliche Bauteile, sowie der Einsatz von bekannten hochtemperaturfesten Materialien, die eine System-Lebensdauer von 100 Jahren erreichen können. Beim Einsatz im bestehenden Haus-Altbestand ist es ebenfalls von Vorteil, durch die entsprechende Dimensionierung einen gewissen Anteil an Verlustwärme ausgleichen zu können, weshalb es möglich ist, auch auf aufwendige und damit teure Gebäudeisolierungen zu verzichten. Ein entscheidender Vorteil ist demnach die mögliche Beibehaltung der unverbauten Hausfassade insbesondere bei historischen Gebäuden, nur der Austausch z. B. der Fenster ist zusätzlich notwendig. Eine CO₂-neutrale Energie-Sanierung wird somit auch für Altbestände möglich. Ein einmal installiertes System benötigt keine weiteren Massnahmen ausser den üblichen Wartungsarbeiten wie Reinigung der Solarkollektoren und Überprüfung der Komponenten.
Zur Optimierung der energetischen Auslegung eines Haus-Neubaus bietet sich eine zentrale Platzierung des Hochtemperatur-Wärmespeicher-Systems an. Es besteht generell auch die Möglichkeit, die einzelnen Systemkomponenten an verschiedenen Orten zu installieren, z. B. aus Platzmangel, wegen besserer Sonneneinstrahlung oder aus baurechtlichen Gründen; z. B. im Aussenbereich, in Kombination mit einem thermisch isolierten Arbeits-Energie-Auslass (5), der vom Aussenbereich in den zu beheizenden Hausbereich verlegt wird.
Im Bereich Energietechnik können groß dimensionierte Hochtemperatur-Wärmespeicher-Systeme zur Reduzierung und Anpassung des Verhältnisses von Energieproduktion zu Energiebedarf erhebliche Optimierungs- und Einsparungspotentiale aufweisen. Das Hochtemperatur-Wärmespeicher-System kann in grosser Anzahl und mit relativ einfach konstruierten und produzierbaren Standardbauteilen und Materialien hierzu einen entscheidenden Beitrag leisten.
Darüberhinaus werden weitere Einsatzgebiete überall dort möglich sein, in denen es um mobile und temporär entkoppelte Energieversorgungssysteme geht, wie Camping, Automobil, Raumfahrt und Kommunikationstechnik.

Claims

Hochtemperatur-Wärmespeicher-System, bestehend mindestens aus einem Wärmespeicher-Festkörper (1), dessen Material hochtemperaturfest ist und eine hohe Wärmespeicherzahl S besitzt, welcher verbunden ist mit einer Wärmeleitvorrichtung (2), die ebenfalls hochtemperaturfest ist und eine hohe Wärmeleitzahl λ besitzt, mit einer vorgeschalteten Wärmeabsorbtions-Einheit (3), dessen Material ebenfalls hochtemperaturfest ist und eine hohe Absorbtionszahl α aufweist. Die Funktionsteile (1) bis (3) sind umgeben durch eine Wärme-Ultra-Isolation (4), die nur durch den Arbeits-Energie-Auslass (5) bei Bedarf durchbrochen ist. An oder in dem Wärmespeicher-Festkörper (1) befindet sich eine ebenfalls hochtemperaturfeste Wärme-Energie-Wandler-Einheit (6), die je nach Anwendung die gespeicherte Wärmeenergie in andere Energieformen oder Energiemengen umwandelt. Das System wird nach Bedarf ergänzt durch eine entsprechende Kontroll-Einheit (7) zur Steuerung der Sollfunktionen.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeabsorbtionseinheit (3) aus mindestens einem Solarkollektor besteht, mit dem Vorteil der CO₂-neutralen Energiegewinnung.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1 und 2, bei dem der Wärmespeicher-Festkörper (1) groß genug dimensioniert und die Wärme-Ultra-Isolierung (4) effizient genug ausgelegt wird, sodass die zum Zeitpunkt t₁ gespeicherte Wärmeenergie zum späteren Zeitpunkt t₂ in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Zum Beispiel bei der Verwendung im Haus-Bereich, sodass die im Sommer gespeicherte Solarenergie ausreichend im Winter zur Verfügung steht, um auf die Verwendung von fossilen Brennstoffen komplett verzichten zu können.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1–3, bei dem die Arbeitstemperatur-Bandbreite ca. 100–800°C beträgt, um die Wärmespeicher-Menge erheblich zu erhöhen bzw. die Baugröße zu reduzieren.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1–4, bei dem die Wärme-Energie-Wandler-Einheit (6) elektrischen Strom erzeugt.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1–5, bei dem die Wärme-Absorbtions-Einheit (6) mit elektrischen Strom betrieben wird, sodass es die Funktion eines Elektro-Strom-Speichers erfüllt.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1–4, bei dem die Wärme-Energie-Wandler-Einheit (6) Heiz- und Brauchwasser erzeugt, sodass bestehende Wasserheizsysteme weiterverwendet werden können.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1–4, bei dem die Einzelteile des Systems modular konstruiert werden. D. h. der Ort der Wärmeabsorbtions-Einheit (3) ist entkoppelt vom Ort des Wärmespeicher-Festkörpers (1) in Verbindung mit einer dazugehörenden Wärme-Ultra-Isolation (4), sodass generell der Transport und mobile Einsatz von Wärmeenergie auch über längere Wegstrecken ermöglicht wird.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 5 und 8, das zum Antrieb eines Automobils verwendet wird.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 5 und 8, das zur Energieversorgung in der Raumfahrt verwendet wird.
Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Anspruch 1 und 4, bei dem die Wärmeabsorbtionseinheit (3) und die Wärme-Energie-Wandler-Einheit (6) aus mindestens einem Prozess-Wärmetauscher besteht, um Prozesswärme effektiv wieder zu verwenden.
Verfahren zur Wärme-Energiespeicherung mit Hilfe des Hochtemperatur-Wärmespeicher-Systems, mit dem Ziel, den bestehenden Hausbestand kostengünstig mit Solarwärme im Winter zu heizen bzw. generell zu klimatisieren.
Verfahren zur Wärme-Energiespeicherung mit Hilfe des Hochtemperatur-Wärmespeicher-Systems, mit dem Ziel, den Neubau-Hausbestand kostengünstig mit Solarwärme im Winter zu heizen bzw. generell zu klimatisieren.
Verfahren zur Wärme-Energiespeicherung mit Hilfe des Hochtemperatur-Wärmespeicher-Systems, mit dem Ziel, elektrische Energie erst in Wärmeenergie umzuwandeln, um dann bei Bedarf diese wieder in elektrische Energie zurückzuwandeln.
Verwendung eines Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Ansprüchen 1.–11. in der Hausbau- und Installationstechnik.
Verwendung eines Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Ansprüchen 1.–11. in der Energieversorgung, besonders zur Vermeidung von Belastungsspitzen.
Verwendung eines Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Ansprüchen 1.–11. in der Automobiltechnik.
Verwendung eines Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Ansprüchen 1.–11. in der Raumfahrttechnik.
Verwendung eines Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Ansprüchen 1.–11. im Camping-Bereich.
Verwendung eines Hochtemperatur-Wärmespeicher-System nach Ansprüchen 1.–11. in der Kommunikationstechnik.