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Solarthermie mit Eisspeicher - wie funktioniert das?

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Eingestellt 7, Jul 2014 in Solare Wärme, Heizen von Anonym
   

2 Antworten

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Beantwortet 7, Jul 2014 von Martin Schorlies (940 Punkte)

Hallo Anonym,

ich fange zunächst mit dem Teil der Solarthermie an:

Durch Sonneneinstrahlung wird in einem Kollektor ein Medium (Flüssigkeit) erwärmt und mittels pumpen abtransportiert. Im Regelfall wird das erwärmte Medium dann in einem Speicher abgekühlt und wieder in den Kollektor zur Erwärmung gepumpt.

Eisspeicher:

Zunächst muss ich da ein wenig ausholen, da Wasser dafür bekannt ist ein wenig "speziell" zu sein.
Wasser hat die höchste Dichte (Masse/Raum => kg/m³) bei 4°C. Also unterhalb von 4°C nimmt der Raum pro kg Masse zu genauso wie oberhalb von 4°C. Während die Wärmekapazität kJ/kgK konstant bleibt.
Nimmt man also z.B. 1 kg Wasser und erwämt es vom dichtesten Zustand um 96° K auf 100°C nimmt die Dichte sprunghaft ab, da sich der Aggregatzustand von flüssig zu Dampfförmig ändert, außer ein Druckkörper verhindert dies. Da Druckkörper wegen der Sicherheit alle 24 Monate geprüft werden müssen, fällt die Hochdruckvariante für Heizsysteme im Wohnbereich raus, da teuer und gefährlich. Also muss die Erwärmung kleiner als 96 K betragen oder ich verlager das Tiefsttemperaturniveau unterhalb 4°C. Dies führt zu dem Effekt, dass die Wärmekapazität um den Gefrierpunkt kurzfirstig ein wenig größer ist, da zusätzliche Energie zum wechsel des Aggregatzustandes von der flüssigen zur festen Molekülstruktur benötigt wird. Somit kann 1 kg Wasser zwischen -1 und +1°C mehr Energie aufnehmen und abgeben als zwischen 2 und 4°C da der Aggregatzustand geändert wird, aber die Temperaurdifferenz jeweils 2 K beträgt. Ich erwähnte ja bereits das Wasser ein wenig speziell ist (siehe Annomalie des Wassers).

Wenn nun aber EIS als Speicher genutzt wird, muss das Wärmemedium aus dem Kollektor entsprechend über Frostschutz verfügen, - kein Problem, kennt man z.B. aus den Kühlsystemen von Automobilen und ist bereits erfunden und entwickelt. Vorteil: wenn das Medium mit geringster Temperatur in den Kollektor kommt, kann es sich auch sehr gut erwärmen, da der Wärmetransport immer von Warm nach Kalt stattfindet, und je größer die Temperaturdifferenz desto größer die Menge an übertragener Wärme. Heißt also dass z.B. selbst bei 3°C Außentemperatur ein -15°C kaltes Medium noch gut erwärmt wird, obwohl der Mensch das als sehr Kalt empfindet. Das Eis im Speicher kann je nach Isolation der Außenhaut theoretisch bis 0 K als -273,15 °C abgekühlt werden, aber da käme man mit dem Medium vom Kollektor in den Grenzbereich. Aber z.B. Eistemperaturen von -40°C sind da gut machbar.
Nun muss allerdings aus EIS Wärme erzeugt werden... und das geschieht z.B. mittels Wärmepumpe (Kühlschrank im Rückwärtsgang (Reversivbetrieb): ein entspanntes Medium (Gas, Flüssigkeit...) das kälter als das EIs ist wird am Eis vorbei geleitet, nimmt da es kälter ist die Wärme auf und wird dann von der Wämepumpe Komprimiert. Durch die Kompression steigt die Temperatur des Mediums, dass diese dann wieder an eine Umgebung (z.B. Wärmepuffer der Heizung und Nutzwasser) abgeben kann/ sich abkühlt. Das abgekühlte Medium wird dann wieder entspannt (-> wird noch kälter) und wieder in das Eis geleitet um sich aufzuwärmen.

Der Trick dieser Technologie liegt in den Temperaturbereichen der Medien, also wie lange das Medium bei welchen Temperaturen und geringen Drücken flüssig bleibt. Vorteilhaft ist es wenn eine s.g. Niedrigtemperaurheizung verbaut ist (Vorlauf 24 °C , Rücklauf 22°C) denn dort werden nur geringe Temperaturunterschiede benötigt.

Sofern Sie das höchst wissenschaftlich vertiefen möchten, versuchen Sie zunächst den Carnot-Prozess zu verstehen, und diesen dann in beide Richtungen laufen zu lassen. Danach dann eben welche Fluide entsprechende Wärmekapazitäten und Bandbreiten im Flüssigen Zustand haben, dann kommen Sie recht zügig genauer dahinter. Jedoch denke ich dass Ihnen das obige schon ausreichen wird.

MfG
Martin Schorlies

Kommentiert 7, Jul 2014 von aldo_49 (10 Punkte)
Sie schreiben: [ Energie die beim Phasenwechsel von flüssig nach fest frei wird, bzw im umgekehrten Fall verbraucht wird. Diese Wärmemenge ist in etwa genauso groß, wie die Wärmemenge, die man aufwenden muss um die gleiche Wassermenge von 15°C auf 100 °C aufzuheizen. Grundsätzlich funktionieren alle Phasenwechselspeicher so. Wasser hat den Vorteil, dass es die höchste spezifische Wärmekapazität hat. Die Dichteanomalie spielt dabei keine Rolle.]

Warum spielt die Dichteanomalie keine Rolle?
Beim Gefrieren von Wasser dehnt dieses sich aus und ist für ein Speichersystem somit ein Problem beim Phasenwechsel hin zu Eis. Was geborstene Wasserleitungen zu Beginn von Frostperioden genug deutlich machen.
Wie gehen sie damit um?
Mit freundlichen Grüßen
aldo_49
Kommentiert 7, Jul 2014 von Martin Werner (2,069 Punkte)
Hallo aldo_49,
die Dichteanomalie des Wassers spielt für die Energiespeicherung keine Rolle, sie hat keinen wesentlichen Beitrag für die Energiebilanz. Das man diese in der Gestaltung der WT-Rohre im Eisspeicher berücksichtigen muss ist ein anderes Thema, was aber die Anbieter solcher Systeme gelöst haben. In den von mir angegebenen Links wird das Thema auch angesprochen.
Sonnige Grüße
Martin Werner
+1 Punkt
Beantwortet 7, Jul 2014 von Martin Werner (2,069 Punkte)
Bearbeitet 7, Jul 2014 von Martin Werner
Die Wärmespeicherfähigkeit des Eisspeichers liegt vor allem in der Energie die beim Phasenwechsel von flüssig nach fest frei wird, bzw im umgekehrten Fall verbraucht wird. Diese Wärmemenge ist in etwa genauso groß, wie die Wärmemenge, die man aufwenden muss um die gleiche Wassermenge von 15°C auf 100 °C aufzuheizen. Grundsätzlich funktionieren alle Phasenwechselspeicher so. Wasser hat den Vorteil, dass es die höchste spezifische Wärmekapazität hat. Die Dichteanomalie spielt dabei keine Rolle.

Im Winter wird mit einer Wärmepumpe dem großen, unterirdischen Wasserspeicher Wärme entzogen: das Wasser kühlt zunächst ab und gefriert schließlich. Im Sommer wird der Wasserspeicher wieder aufgeheizt (z.B. durch eine Solarthermieanlage) und dadurch für den nächsten Winter regeneriert. Die Wärmepumpe betreibt man vorteilhafterweise mit einer PV-Anlage.

Siehe: http://www.energie-lexikon.info/eisspeicher.html

und die Antwort von praxis_mueller in folgendem thread:

http://experts.top50-solar.de/2999/welches-heizsystem-soll-ich-w%C3%A4hlen

und insbesondere den darin enthaltenen Link mit dem Praxisbeispiel:

http://www.heizen-eiskalt.de/anlagenkonzepte/das-energetische-trio
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