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Kältespeicherung und -verteilung mit Flüssigeis (WÜSST)

BMWI / Projektträger Jülich

04/2017 – 03/2020

Christoph Steffan

+49-351-4081-0351-4081 708

Entwicklung und Erprobung eines Flüssigeis-Wärmeübertragers (WÜSST)

Kältespeicherung und -verteilung mit Flüssigeis

Im Bereich thermischer Speichermedien zur „Kältespeicherung“ bietet sich eine Vielzahl verschiedener Lösungsansätze. (vgl. Abbildung):

Wasser zeichnet sich durch eine hohe Verfügbarkeit sowie durch seine physikalischen Eigenschaften aus und findet aktuell eine breite Anwendung als Kälteträger in Kälteverteilnetzen. Neben der hierfür günstigen, hohen spezifischen Wärmekapazität besitzt Wasser eine der höchsten Phasenwechselenthalpien (333,4 kJ/kg) beim Übergang vom flüssigen in den festen Aggregatzustand. Führt man diese Eigenschaften zusammen, bildet Flüssigeis (Eisslurry) bestehend aus Wasser, kleinen Eispartikeln und einem gefrierpunktsenkenden Additiv einen energetisch interessanten, umweltfreundlichen Kälteträger.

Aufgrund der höheren Energiedichte können für die Dimensionierung von Apparaten hohe Einsparungen bezüglich des Materialeinsatzes sowie der Materialkosten erzielt werden. Zusätzlich kann der Energiebedarf zum „Kälte“-Transport und demzufolge der durchströmte Rohrquerschnitt deutlich verringert werden. Mit Hilfe dieser Vorteile lassen sich Kälteverteil- und -versorgungssysteme effizienter und vor allem platzsparender dimensionieren (vgl. Abbildung).

Darüber hinaus ist Speicherung von „Kälte“ mit dem Latentwärmespeichermedium (PCM) Flüssigeis eine ausgezeichnete Möglichkeit, Kälteerzeugung und Kältebereitstellung zeitlich zu entkoppeln. Im Hinblick auf den Ausbau regenerativer Energiequellen kann durch die Speicherung der Nutzenergie „Kälte“ die Kälteerzeugung und damit der Energieverbrauch in Zeiten hoher Energieverfügbarkeit verlagert werden.

Für die Anwendung von Flüssigeis lassen sich folgende Vorteile zusammenfassen:

  • Höhere Speicherkapazitäten bei bedeutend kleinerem Platzbedarf
  • verbessertes Wärmeübergangsverhalten / Verringerung von Wärmeübertragungsflächen
  • geringere Volumenströme in Kälteverteilnetzen
  • geringere spezifische Pumpleistung erforderlich
  • Übertragung hoher Leistungen (kurzfristige Deckung hoher Lastspitzen)
  • Geringere Druckverluste im Verhältnis zur Übertragungsleistung
  • Effizienzsteigerungen durch konstante Temperaturbedingungen bei der Kühlung mit Eis (latente Wärmeaufnahme)

Als potentielle Anwendungsgebiete von Flüssigeis (Ice Slurry) können primär folgende Bereiche genannt werden:

  • Kühlung industrieller Prozesse; Lebensmittelverarbeitung und -lagerung, Batchprozesse (Brauereien, Molkereien, Bäckereien, Käse- und Wurstreifung, Obst- und Gemüselager, Luftentfeuchtung, Fischereiindustrie)
  • Einsatz in Großküchen, Kühlhäusern, Supermarktkälte
  • Kältespeicherung in der Gebäudeklimatisierung
  • Kapazitätserweiterung von Nah- und Fernkältenetzen („Enhanced District Cooling“)
    • als dezentraler Speicher für höhere Spitzenlast
    • als zentraler Speicher, z.B. zur Nutzung von Schwachlastzeiten oder regenerativer Energien
  • Wärmepumpenprozesse mit Nutzung (Eisbildung) natürlicher oder künstlicher Wasserreservoire (konstante Quelltemperatur, höhere Effizienz als Luft WP)
  • doppelte Nutzung der Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen à saisonale Speicherung
  • Technische Schneeerzeugung bei Außenlufttemperaturen > 0°C

Projektinhalte und -ziele

Anwendererfahrungen aus ausgeführten Flüssigeisanlagen zeigen, dass ein breiter Einsatz von Flüssigeis durch das Fehlen geeigneter und gleichzeitig kostengünstiger Wärmeübertrager behindert wird, die dauerhaft betriebssicher mit höheren Eisanteilen beaufschlagt werden können. Wesentliche Zielstellungen des geplanten Verbundprojektes sind deshalb:

  1. die Verbesserung der Möglichkeiten zur modellhaften Beschreibung von Strömungs- und Wärmetransportvorgängen mit Flüssigeis (Zweiphasenströmung) als Hilfsmittel zur optimierten Auslegung und konstruktiven Gestaltung von Wärmeübertragern im Allgemeinen sowie

  2. die Weiterentwicklung der Schlüsselkomponente Wärmeübertrager für die betriebssichere als auch platzsparende Anwendung von Flüssigeis innerhalb von Kälteverteilnetzen und in Flüssigeis-Kältespeichern.

Die geplante Projektaufgabe weist ebenso einen demonstrativen Charakter auf und kann durch weitere wichtige strategische Zielstellungen ergänzt werden:

  1. Aufzeigen bzw. Nachweis der praktischen Umsetzbarkeit theoretisch formulierter Vorteile von Flüssigeis als Kältespeicher- und -trägermedium in Kälteverteilnetzen und dadurch

  2. die Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Flüssigeis als Ausgangsbasis für die Eröffnung neuer Geschäftsfelder im Bereich Kältespeicherung und -verteilung.

Die Umsetzung in effizienten Kälteversorgungsnetzen setzt die optimale Gestaltung entsprechender Schnittstellen („Wärmeübergabe bzw. -abgabestationen“) voraus. Betrachtet man die Übertragung von Wärme auf einen mit Flüssigeis betriebenen Kälteträgerkreislauf lassen sich daraus weitere Vorteile ableiten:

  • Hohe Energiedichte
    • Notwendigkeit geringer Wärmeübertragungsflächen
    • Geringere Volumenströme erforderlich → deutlich geringere Kapazitätsströme

  • Besseres Wärmeübergangsverhalten (hoher Anteil Wärmeleitung durch Feststoffanteil)
    • Übertragung sehr hoher Leistungen möglich
    • höhere Grädigkeiten entlang der Wärmeübertragungsfläche
    • Geringere Druckverluste im Verhältnis zur Übertragungsleistung

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