zur Jahreszeitüberbrückung auf Basis von Glycerol-Wasser Gemisch
Mit der ständigen Zunahme der Beliebtheit von Wärmepumpe im Gebäudebereich sehe ich die vermeintliche Verschwendung der Abwärme oder „Abkälte“ als traurigen und ärgerlichen Fakt. Während die Wärmepumpentechnologie generell umweltfreundlicher als Verbrenner ist, schmerzt es mich trotzdem, dass diese vermeintliche Verschwendung so akzeptiert wird. Vielen Wärmepumpen fehlt sogar das Umkehrventil, was sie limitiert entweder nur zu heizen oder bloss zu kühlen.
Ich verstehe, warum das so gemacht wird. Meiner Meinung nach fehlt das Bewusstsein, dass es möglich wäre, thermische Energie für Zeiträume von Monaten zu speichern. Ähnlich wie beim fehlenden Umkehrventil will hier die gewohnte Heizungstechnik nicht zu sehr aufgewühlt werden, womöglich um die Hürde für Kunden nicht noch höher zu setzen.
Das Thema Kühlung wird in den kommenden Jahren, mit heisseren Sommern und Homeoffice sicherlich auch ein wichtigeres Thema werden. Weswegen über mögliche Optimierungen nachzudenken, vorteilhaft sein könnte.
Das Ziel der Idee besteht darin, das thermische Nebenprodukt einer Wärmepumpe zu speichern, sodass es einige Monate später genutzt werden kann.
Die Nutzung aus dem Speicher kann direkt im Gebäude oder indirekt über die Sekundärseite der Wärmepumpe erfolgen, was eine höhere Flexibilität bei der Nutztemperatur auf Kosten von geringerer Effizienz bedeuten würde. Womöglich kann bei indirekter Nutzung der Speicher besser ausgebeutet werden.
Die grundlegenden Limitationen sind die Grösse des Speichers, die Optimal- und Limittemperaturen der Wärmepumpe sowie die Verluste, besonders Langzeitverluste durch die Isolierung des Speichers.
Ein Latentwärmespeicher stellt eine beinahe konstante Temperatur bereit. Der Grossteil der Speicherkapazität liegt im latenten Bereich, in dem das Speichermaterial (Phase Change Material, PCM) Energie aufnimmt, um den Aggregatzustand zu wechseln.
Die primäre Funktionalität des Speichers benötigt nur folgenden Aufbau:
Die Sekundärseite der Wärmepumpe sowie der Latentwärmespeicher werden über je einen Wärmetauscher mit Rohren miteinander verbunden. Mit einer Pumpe wird ein Medium in den Rohren zum Wärmeaustausch zirkuliert.
Somit kann die thermische Energie von der Wärmepumpe zum Speicher im Sommer und vom Speicher zur Wärmepumpe im Winter transportiert werden.
Man pumpt die Wärme, die man im Sommer im Gebäude zu viel hat, in den Speicher und pump diese Energie dann im Winter wieder hinaus ins Gebäude. Die Wärmepumpe kann hier regulieren und Wunschtemperaturen bereitstellen, was ohne diese nicht möglich wäre. Die Differenz zwischen Aussen oder Bodentemperatur zur Komforttemperatur ist im Sommer und im Winter sehr unterschiedlich.
Einige Latentwärmespeicher nutzen gefüllte Kunststoffbälle, in denen sich das PCM befindet. Hier dient die Oberfläche der Bälle als Wärmetauscher. Andernfalls sind dies Platten oder Rohre.
Bei meiner Recherche bin ich schon auf Speicher gestossen, die für diese Anwendung konzipiert sind. So auch die Speicher von Jekusol.
Diese Speicher beinhalten bereits Isolierung, Wärmetauscher und sind aus den für die PCM verträgliche Materialien gefertigt.
Einige PCM kommen für diese Applikation infrage. Als Erstes kam mir hierzu Wasser in den Sinn. Wasser hat eine der höchsten Wärmekapazitäten überhaupt und dies auch im latenten Bereich. Das Ausdehnen von Wasser als auch seine Festigkeit beim Gefrieren macht die Speicherung jedoch problematisch. Des Weiteren lege ich grossen Wert auf Langzeitstabilität und bei Wasser habe ich zusätzlich die Bedenken, dass darin Bakterien und andere Fremdkörper sich vermehren könnten. Auch kann die Gefriertemperatur von Wasser praktisch nicht nach oben verschoben werden, was den latenten Bereich des Wärmespeichers auf 0 °C und darunter limitieren würde.
Übliche Materialien sind verschiedene Formen von Paraffin. Sie haben sehr hohe Kapazitäten und sind lange stabil. Hier sind die Schmelztemperaturen jedoch üblicherweise zwischen 40 °C und 60 °C. Was sie optimal für Kurzzeitwärmespeicher macht. Für die Sekundärseite eine Wärmepumpe ist dies zu heiss.
Ein Stoff, der als Nebenprodukt bei der Biodieselproduktion in grossen Mengen verfügbar ist und für diese Anwendung viele positive Eigenschaften hat, ist Propan-1,2,3-triol (bekannt als Glycerin und Glycerol). Die Wärmekapazität pro Volumen ist ungefähr 20 % geringer als bei Wasser. Glycerol mischt sich hervorragend mit Wasser und durch Zugabe kleiner Mengen an Wasser kann der Schmelzpunkt zwischen ca. 20 °C und weit unter –20 °C eingestellt werden.
Dies würde es erlauben, die Betriebstemperatur des Speichers während des Gebrauchs über das Jahr hinaus anzupassen. So kann insbesondere der Speicher nahe der Umgebung oder Bodentemperatur eingestellt werden, dies würde Verluste durch die Isolation minimieren.
Glycerol ist Hygroskop, was dem Wachstum von Fremdkörpern entgegenwirkt. Negativ ist, dass es eine geringe Kristallisationstendenz hat. Je nach Speichergeometrie kann dies zu Problemen beim Speichern von Kälte führen. Durch Einbringen von Kristallisationskeimen kann dem jedoch entgegengewirkt werden.
Diese Eigenschaften können für sekundäre Funktionalität genutzt werden. Kleine Lecks zwischen Speicher und Wärmetauscher sind nicht katastrophal, sondern vermindern lediglich die Effizienz. Lecks von Speicher zur Aussenwelt können durch eine Wanne aufgefangen werden und entziehen dort der Luft im Raum die Feuchtigkeit, was den Raum gegen Korrosion und Wachstum schützt. Ein System, welches durch Entlassen und Nachfüllen des Speichers mit Wasser und Glycerol den Schmelzpunkt regelt, könnte diese zusätzlichen Funktionalitäten leicht mit integrieren.
Nehmen wir an, wir haben für eine Applikation einen überdimensionierten Speicher, dessen Schmelztemperatur so reguliert wird, dass zwischen Verluste durch die Isolation sowie die Effizienz der Wärmepumpe balanciert wird.
Das wäre meines Erachtens die optimale Lösung, um die thermische Energie eines Gebäudes bereitzustellen. Somit könnte der COP der Wärmepumpe zumindest verdoppelt werden.
Der Bedarf an Wärmeenergie wird auch nicht durch das Jahr und über die Jahre hinaus konstant sein und sich auch nicht genau aufheben. Wenn die Isolation zu gut ist, könnte dies zu einer Übersättigung des Speichers führen, was wiederum die Effizienz der Wärmepumpe verringern würde. Für diesen Ausnahmefall bräuchte es wahrscheinlich leider zusätzlich eine Möglichkeit, mit der Aussenluft Wärme auszutauschen.
Generell finde ich dies eine klasse Idee. Ein wichtiger Punkt, den ich bis jetzt jedoch bisher nicht erwähnt habe, ist das Ausmass der benötigten Wärmeenergie in einem Gebäude. Zwar können Latentwärmespeicher viel mehr thermische Energie speichern als das ein normaler Wärmespeicher könnte, trotz dessen ist die Energiedichte im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen weiter gering.
Somit reden wir hier von Volumen an PCM Material in tausenden Litern, die untergebracht werden müssten.