Sind thermische Energiespeicher im großvolumigen Wohnbau im Zuge von Generalsanierungen sinnvoll einzusetzen?


Masterarbeit, 2016

85 Seiten, Note: 2,0


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Wirkungsweise Photosynthese

2. Ziel des Projektes

3. Grundlagen
3.1. Typologie der Energiespeicher
3.2. Thermische Energiespeicher
3.3. Thermodynamik – Reversibilität
3.3.1. Relevante Größen der Thermodynamik
3.3.2. Zustandsformen
3.3.3. Erster Hauptsatz der Wärmelehre
3.3.4. Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre
3.3.5. Reversible und irreversible Vorgänge
3.3.6. Entropie

4. Speichertechnologien für thermischer Energie
4.1. Sensible Wärmespeicherung
4.2. Latente Wärmespeicherung
4.3. Thermochemische Wärmespeicherung

5. Wärmedämmung

6. Speichermedien

7. Bauformen sensibler Speicher
7.1. Speicher mit festem Medium
7.1.1. Erdsonden
7.1.2. Erdkollektor
7.1.3. Fundamentspeicher
7.1.4. Thermisch aktive Bauteile
7.1.5. Speicherheizungen
7.2. Speicher mit flüssigen Medien
7.2.1. Warmwasserspeicher
7.2.2. Speicher im Hochtemperaturbereich
7.2.3. Aquiferspeicher

8. Betrachtung bereits realisierter Projekte
8.1. Wärmespeicher Theiss, EVN
8.2. Hochdruck Wärmespeicher Simmering
8.3. Drake Landing als Beispiel einer fast autarken Wärmeversorgung
8.3.1. Generierung der solaren Energie
8.3.2. Energiezentrum
8.3.3. Erdsondenspeicher
8.3.4. Fernwärmenetz
8.3.5. Energieeffiziente Häuser
8.3.6. Messwerte

9. Implementierung von Wärmespeichern im kommunalen Wohnbau bei Großsanierungen
9.1. Auswahl einer Wohnhausanlage
9.1.1. Infrastrukturelle und geologische Voraussetzungen
9.1.2. Einflussfaktoren im kommunalen Wohnbau
9.1.3. Förderungen
9.1.4. Rechtliche Rahmenbedingungen
9.1.5. Auswahl des thermischen Energiespeichers

10. Schlussfolgerung
10.1. Kosten / Nutzenanalyse
10.1.1. Betrachtung der reinen Speicherkosten

11. Zusammenfassung

12. Ausblick

13. Literaturverzeichnis

2. Abbildungsverzeichnis

Abb. 1, Photosynthese – der Speicherprozess des Natur

Abb. 2, Wirkungsgrad der Photosynthese

Abb. 3, Definition Energiespeicher

Abb. 4, Spektrale Energiedichte

Abb. 5, Speichertechnologien

Abb. 6, Typische Anordnung einer Erdsonde

Abb. 7, Typische Anordnung eines Erdkollektors

Abb. 8, Verlegung eines Erdkollektors in Realität

Abb. 9, Bauteilaktivierte Geschossdecke

Abb. 10, Typische Rohranordnung in einem Energiepfahl

Abb. 11, Energiepfahl Einsatz

Abb. 12, Typische Situation einer Wandheizung

Abb. 13, Schema einer Speicherheizung

Abb. 14, System eines Warmwasserspeichers mit Solarkollektor

Abb. 15, Schematischer Aufbau eines Heißwasserspeichers

Abb. 16, Schematische Anordnung eines Aquiferspeichers

Abb. 17, Kraftwerk Theiss

Abb. 18, Isolierungsarbeiten am ehemaligen Öltank

Abb. 19, Wärmespeicher Theiss nach Fertigstellung

Abb. 20, Kraftwerk Simmering in Wien aus der Vogelperspektive

Abb. 21, Kuppel eines Hochdruck Wärmespeichers vor der Endmontage

Abb. 22, Bau des Wärmespeichers

Abb. 23, Wärmespeicher im Kraftwerk Simmering nach Fertigstellung

Abb. 24, Vogelperspektive von Drake Landing mit dem Energiezentrum

Abb. 25, Solarthermische Anlage in Drake Landing

Abb. 26, Schema der Funktionsweise Drake Landing

Abb. 27, Energiezentrum

Abb. 28, Funktionschema Kurzzeitwärmespeicher von Drake Landing

Abb. 29, Aufbau einer Erdsonde von Drake Landing

Abb. 30, Erdsondenfeld Drake Landing Schema der Wasserflüsse

Abb. 31, Jährliche Erhöhung der mittleren Kerntemperatur des Erdsondenfeldes

Abb. 32, Schematische Darstellung des Fernwärmenetzes

Abb. 33, Aktuelle Messwerte (21.08.2016) von Drake Landing

Abb. 34, Wohnhausanlage in Norden Wiens Luftbild

Abb. 35, Fassade des Auswahlgebäudes im Norden Wiens vor Sanierung

Abb. 36, Grundriss Erdgeschoß des Auswahlgebäudes

Abb. 37, Seitenansicht des Auswahlgebäudes

Abb. 38, Dachdraufsicht des Auswahlgebäudes

Abb. 39, Möglicher Speicherstandort

Abb. 40, Wärmediagramm

Abb. 41, Wohnblock während der Sanierung

Abb. 42, Wohnblock nach Sanierung

3. Verzeichnis für Tabellen

Tab. 1, Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien

Tab. 2, Spezifische Wärmekapazität fester Körper

Tab. 3, Spezifische Wärmekapazität Metalle

Tab. 4, Spezifische Wärmekapazität verschiedener Stoffe

Tab. 5, Wärmedurchgangskoeffizienten

Tab. 6, Speichermedien Kennzahlen

Tab. 7, Wärmeentzugsleistung nach Bodenbeschaffenheit

Tab. 8, Excel Berechnung Teil 1

Tab. 9, Excel Berechnung Teil 2

Kurzfassung

Erneuerbare Energien sind zwar in hohem Maß vorhanden, allerdings nicht immer dann, wenn sie benötigt werden. Um die fossile bzw. konventionelle Energieversorgung nicht nur zu entlasten, sondern drastisch zu reduzieren, ist der Energiespeicher der Schlüssel zur Energiewende. Die thermische Speicherung ist neben dem bekannten Heißwasserspeicher auch mit anderen Medien möglich. Für die Speicherung großer Wärmemengen kann die Erde als Speichermedium dienen, wie ein Aquiferspeicher oder Erdsondenspeicher. In Kanada wurde ein ganzes Dorf, genannt „Drake Landing“, mit thermischen Solarkollektoren und einem 42.875 m3 großen Erdsondenspeicher 2007 erbaut und damit eine energieautarke Wärmeversorgung realisiert. Die große Masse des Erdspeichers, versorgt durch Solarkollektoren, benötigte einige Jahre um eine Kernspeichertemperatur von 80°C zu erreichen. Seit 2013 wird dieses Dorf, bestehend aus 52 Einfamilienhäuser, autark mit Wärme für Warmwasser und Heizung versorgt. Zu untersuchen ist, ob ein saisonaler Wärmespeicher im dichtverbauten kommunalen Wohnbau im Zuge von Generalsanierungen sinnvoll einzusetzen ist. Nach Auswahl eines Wohnblocks mit 60 Wohneinheiten mussten wegen Platzmangels und vollflächiger Tiefgarage unter den Wohnblocks die Erdspeichervarianten ausgeschieden werden. Eingesetzt kann ein Heißwasserspeicher werden. Um realistische Wärmeeinspeisewerte zu erhalten, wird von einer 500 m² großen Solarkollektoranlage, am Dach des Wohnblocks, die Wärme generiert. Der gelieferte Wärmeüberschuss im Sommer wird für die kalte Jahreszeit in einem zylindrischen Stahlspeicher mit einem Volumen von 1.289 m³ eingelagert. Aufgrund der Dimension des Speichers, von 10 m Durchmesser und 16 m Höhe, ist dieser nicht in das Gebäude integrierbar. Der Aufbau des Speichers ist neben dem Gebäude, unter Berücksichtigung der Statik der Tiefgarage, durchzuführen. Die Berechnungen der eingespeicherten Wärme ergeben, dass eine ganzjährige Wärmeversorgung mit der Wärme der 500 m² Solarkollektorfläche nicht möglich ist. Unter den Einflussfaktoren der gewählten Wohnhausanlage ist lediglich eine unterstützende Wärmeversorgung zusätzlich zur Fernwärme möglich. Die nachträgliche Implementierung von saisonalen Wärmespeichern im dicht verbauten kommunalen Wohnbau ist daher als nicht zielführend einzuordnen. Bei Verfügbarkeit größerer Freiflächen ist die Installierung von Wärmespeichern für die Verringerung des Bedarfs an fossilen Energieträgern aber sehr wohl umzusetzen. Bei mehr Fläche kann eine stärkere Energiequelle installiert werden (Solarthermie, Photovoltaik, Windkraft etc.), aber vor allem können auch andere Speichertechnologien eingesetzt werden.

1. Einleitung

Energiespeicher sind als elementare Bausteine unserer zukünftigen Energiesysteme zu sehen, ohne Speicher wäre eine Energieversorgung nur beschränkt bzw. mit schlechten Wirkungsgraden möglich.

Die Speicherung von Energie ist keineswegs eine Erfindung der Neuzeit, bereits nach Entwicklung vielzelliger Organismen, woraus die ersten Pflanzen entstanden, wurde eine Form der Energiespeicherung geboren – die Photosynthese. Solare Strahlungsenergie wird, unter Nutzung von Wasser und Kohlenstoffdioxid bei Pflanzen in Bindungsenergie umgeformt und gespeichert. Zu jener Zeit war der wichtigste Energieträger die Biomasse, welche somit eine gespeicherte Art der solaren Strahlungsenergie darstellt.

1.1. Wirkungsweise Photosynthese

Die Photosynthese (vgl. Abb. 1, ) ist eine der ältesten und bedeutendsten biogeochemischen Prozesse der Erde. Wasser wird von der Pflanze über die Luft (Luftfeuchtigkeit und Regen) sowie über den Boden aufgenommen und in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Es bestehen bei Einwirkung von Sonnenlicht zwei Photoreaktionen, einerseits wird die solare Energie zur Spaltung von Wasser und der Umwandlung von CO2 verwendet, andererseits entstehen Wasserstoffionen und Elektronen durch die Ionisierung von Wasserstoff durch Solarenergie. Die Aufspaltung bewirkt auch die Entstehung und Abgabe von O2 (Sauerstoff) an die Atmosphäre, aber auch das Kohlendioxid in Verbindung mit solarer Strahlungsenergie wird chemisch gebunden und gespeichert. Diese gespeicherte Bindungsenergie in Form von Kohlenstoffverbindungen bleibt bis zur „Entladung des Speichers“ durch Verbrennen in Biomasseheizkessel etc. erhalten. Auch das gespeicherte CO2 wird wieder an die Atmosphäre freigesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1, Photosynthese – der Speicherprozess des Natur[1]

Aus dem Verhältnis der gespeicherten chemischen Bindungsenergie Echem und der jährlichen Gobalstrahlung HG lässt sich der Wirkungsgrad η der Photosynthese darstellen.

Der photosynthetische Wirkungsgrad ist daher von der Menge der solaren Strahlungsenergie abhängig, aber auch davon, wie viel Strahlungsenergie von der Pflanze absorbiert wird. Die Strahlung wird auch reflektiert und geringfügig transmittiert. Dies weist wieder direkte Parallelen zur Photovoltaik bzw. auch zur Solarthermie auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2, Wirkungsgrad der Photosynthese[2]

Der reale Wirkungsgrad der Photosynthese beträgt bis zu 2,5% (vgl. Abb. 2, ).Die Energiespeicherung durch Photosynthese ist der größte in der Natur ablaufende Speicherprozess, von dem das Leben aller Lebewesen der Welt abhängt. Würden die Pflanzen die Photosynthese einstellen, ginge alles höhere Leben innerhalb von 25 Jahren zugrunde. Dies geschah wahrscheinlich bereits vor 65 Millionen Jahren durch den Einschlag eines Asteroiden, die Staubaufwirbelungen verringerte über viele Jahre stark die solare Strahlung, die in Bodennähe noch eintraf und ließ eine Photosynthese nicht mehr zu, infolge dessen starben unter anderem wahrscheinlich die Dinosaurier aus.

Ein weiterer großer Energiespeicher kann in Holz (Biomasse) gesehen werden, welcher über Jahrhunderte vom Menschen genutzt wurde. Aufgrund der technischen Weiterentwicklung wurden aber immer mehr Energiespeicher angezapft, die nicht erneuerbaren Energien sind begrenzt und beinhalten das Potential, bei Verknappung, ernsthafte Kämpfe um diese Energiequellen bis hin zu einem Krieg heraufbeschwören zu können.

Die Reduktion der Nutzung fossiler Energie sowie die massive Nutzung erneuerbarer Energie ist ein großes Ziel der Menschheit, die Möglichkeiten zur Erhöhung der Nutzung des Energieanteils aus erneuerbarer Energie mittels Energiespeicherung werden in dieser Arbeit untersucht.

2. Ziel des Projektes

Im Zuge der Arbeit sollen verschiedene Methoden zur Speicherung thermischer Energie diskutiert und analysiert werden. Der Fokus liegt in den Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie in Hinblick auf den kommunalen Wohnbau, insbesondere großvolumiger Wohnhausanlagen. Es sollen Lösungen für Bestandsobjekte im dicht verbauten, städtischen Raum betrachtet werden, welche im Zuge von Sanierungen eingeplant bzw. realisiert werden können.

3. Grundlagen

Was ist ein Energiespeicher? Dazu können mehrere Definitionen angeführt werden. Grundsätzlich wird als Speicher „eine Einrichtung zur Bevorratung, Lagerung und Aufbewahrung von Gütern“[3] bezeichnet.

„Ein Energiespeicher ist eine energietechnische Einrichtung, welche die drei folgenden Prozesse beinhaltet; Einspeichern (Laden), Speichern und Ausspeichern (Entladen)“[4]. (vgl. Abb. 3, )

Dazu zählen z.B. auch mechanische Speicher wie Druckluftspeicher, Schwungmassenspeicher, Federenergiespeicher aber auch chemische Energiespeicher.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3, Definition Energiespeicher[5]

Beispiel einer Speicherung elektrischer Energie

Das Material, welches die Energie innerhalb eines Speichergehäuses aufnimmt, wird als Energieträger bezeichnet. Bei einem Warmwasserboiler fungiert Wasser als Energieträger.

Energiespeicher werden auch nach der Wiederverwendbarkeit unterschieden:

- Primäre Energiespeicher: der Speicher kann nur einmal geladen und entladen werden
- Sekundäre Energiespeicher: der Speicher kann mehrfach geladen und entladen werden

Für die Speicherung thermischer Energie in Gebäuden finden vor allem sekundäre Energiespeicher Verwendung.

3.1. Typologie der Energiespeicher

Gelieferte Energie kann auf verschiedene Arten gespeichert werden, je nach Liefermedium, auch mit einer oder mehreren Umwandlungsstufen. Folgend wird ein Überblick über die wichtigsten, derzeit technisch möglichen Energiespeicher dargestellt. Unterschieden wird in thermische Energiespeicher, chemische Speicher, thermochemische Speicher, elektrische- und elektrochemische Speicher, biologische Speicher, fossile Energiespeicher und mechanische Energiespeicherung. Behandelt werden in dieser Arbeit ausschließlich thermische Energiespeicher.

3.2. Thermische Energiespeicher

Das wichtigste Charakteristikum eines thermischen Energiespeichers ist die Temperatur. Je nach Temperaturbereich, in welchem der Lade- und Entladevorgang durchgeführt wird, bestimmt sich der grundlegende Einsatzbereich. Hochtemperatur-Speicherungen bewegen sich zwischen 300 und 600°C. Verwendung findet die Hochtemperatur-Speicherung in Verbindung mit erneuerbaren Energien vorrangig bei solarthermischen Kraftwerken. Um eine kontinuierliche Stromversorgung gewährleisten zu können, wird zum Beispiel bei solarer Energieerzeugung tagsüber neben der Stromproduktion ein Speicher mit flüssigem Salz als Medium geladen, bei Verringerung der solaren Strahlung oder Ausfall (in der Nacht) wird die gespeicherte Wärme abgerufen, der Speicher wieder entladen.

Im Temperaturbereich von 100 bis 250°C wird die gespeicherte Wärme meist für die Bereitstellung von Dampf bei industriellen Prozessabläufen verwendet. Zwischen 20 und 100°C ist der typische Einsatzbereich von Speichern für die Beheizung von Gebäuden und die Bereitstellung von Warmwasser. Fußbodenheizungen kommen mit einer Temperatur von 25-30°C aus, klassische Radiatoren benötigen bis zu 90°C. Die Temperatur des Warmwassers sollte aus gesundheitlichen Gründen immer über 60°C betragen. Problem des Legionellen-Befalls bei tieferen Temperaturen.

Thermische Energiespeicher können genauso zum Kühlen eingesetzt werden. Der klassische Kühlbereich bewegt sich zwischen 5 und 18°C für Lebensmittel, Gefriergut benötigt gleichbleibend -18°C.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal thermischer Energiespeicher ist die benötigte Dauer des Speicherns, dies ist der zu überbrückende Zeitraum zwischen Laden und Entladen. Kurzzeitspeicher werden im Rahmen von Stunden bis wenigen Tagen verwendet, dagegen können Langzeitspeicher über Wochen bis zu einem Jahr speichern.

Abhängig vom Standort des Speichers kann noch von zentral bzw. dezentral gesprochen werden. Ein Wärmespeicher bei einem großen solarthermischen Kraftwerk ist als zentral anzusehen, je näher sich ein Speicher beim Verbraucher befindet, umso eher wird er als dezentraler Speicher bezeichnet. Typisches Beispiel für einen dezentralen Speicher ist der Pufferspeicher einer Heizung in einem Einfamilienhaus. Weiters können neben stationären Energiespeichern auch mobile Speichereinheiten, zum Beispiel integriert in Container, verwendet werden, wenn am Standort der Beladung keine Verwertung der Energie möglich ist.

3.3. Thermodynamik – Reversibilität

Wärme ist eine Form von Energie. Eine Übertragung dieser Energieform von einem Träger zu einem anderem kann durch Leitung, Konvektion oder Strahlung erfolgen.

Bei Wärmeleitung wird die Energie (Wärme) von der Quelle über einen Leiter zum Zielobjekt übertragen. Der Leiter wird für die Übertragung einen hohen Wärmeleitwert aufweisen, allerdings sind technisch auch schlechte Leiter zur Wärmeübertragung möglich. Ein Stoff, der so gut wie keine Wärmeleitung mehr aufweist, wird als Isolator verwendet.

Unter Konvektion wird die Weiterleitung der Wärme mit Hilfe eines Luftstromes definiert. Konvektion tritt zum Beispiel in einem Stiegenhaus oder Kamin auf.

Die Strahlungswärme kommt ohne Leiter oder Luftstrom aus. Die Strahlungsenergie wird direkt von der Quelle an das nächste Medium übertragen. Speicher sollten möglichst reversibel (siehe im weiteren Text) arbeiten, dies ist eine Voraussetzung für eine gute Funktionalität von sekundären Speichern.

3.3.1. Relevante Größen der Thermodynamik

Arbeit:

Wird ein Körper unter Einwirkung einer Kraft F eine bestimmte Wegstrecke s weit bewegt, so wird von der Kraft die Arbeit W verrichtet.

Diese ist das Produkt der Beiträge des zurückgelegten Weges und der Komponente der Kraft in Richtung des Weges.

W = F.s.cos j (skalares Produkt der beiden Vektoren F und s, Kraft und Weg) Einheit: 1 Newton x 1 Meter = 1 Joule, 1 Nm = 1 J (J.P.Joule, 1818-1889)

Energie:

Energie ist die gespeicherte Arbeit oder auch der Arbeitsvorrat.

Energie kann von einem System von makroskopischen Körpern auf ein anderes System von makroskopischen Körpern grundsätzlich durch Verrichten von Arbeit oder Wärmeaustausch übertragen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Leistung:

Die Leistung ist eine Angabe, in welcher Zeit ein bestimmter Energiebetrag ausgetauscht, das heißt eine bestimmte Arbeit verrichtet wird. (Energiestrom, P):

Leistung = Arbeit/dazu benötigte Zeit; Joule/Sekunde = Watt

Mittlere Leistung: gesamte Arbeit/gesamte dafür benötigte Zeit; P = W/t

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wirkungsgrad:

Der Wirkungsgrad beziffert den Anteil der Nutzarbeit WN am Anteil der Gesamtarbeit W Ges :

Wirkungsgrad = Nutzarbeit / Gesamtarbeit;[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten][6]

Der Wirkungsgrad ist für reale Systeme immer kleiner als 1.

Wärmeleitung

Ein Austausch von Wärme, obwohl der Körper in Ruhe bleibt, wird als Wärmeleitung bezeichnet. Die Übertragung von Wärme erfolgt immer von einem Körper höherer Temperatur zu einem Körper niederer Temperatur. Dieser Wärmeaustausch endet erst, wenn beide Körper die gleiche Temperatur erreicht haben. Die durch eine Fläche A hindurchtretende Wärmemenge dQ ist der Fläche A und der auf der Länge dl herrschenden Temperaturdifferenz dT proportional:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes in W/(m.K)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1, Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien[7]

Metalle haben grundsätzlich eine gute Wärmeleitfähigkeit. Einher geht hier auch die gute elektrische Leitfähigkeit, da die freien Elektronen, welche für den Energietransport zuständig sind, elektrische Energie und Wärmeenergie leiten können. Metallkörper werden häufig zur Wärmeableitung genutzt, wie zum Beispiel Kühlkörper in der Leistungselektronik oder bei Motoren.

„Ohmsches Gesetz für Wärmeleitung“:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Strahlung

Wärmestrahlung bedeutet, dass ein Wärmeaustausch ohne stofflicher Verbindung zwischen den Körpern stattfindet. Jeder Körper strahlt, und zwar umso stärker, je höher seine Temperatur ist. Die meisten Körper absorbieren Wärmestrahlung und werden durch sie erwärmt. Auftreffende Wärmestrahlung kann von einem Körper absorbiert, reflektiert, oder (und) durchgelassen werden, wobei die Summe dieser drei Teile immer 100% ergibt. Die Summe aus Absorptionsgrad, Reflexionsgrad und Transmissionsgrad ist 1.

Abgestrahlte und absorbierte Strahlungsenergie hängen von der Oberflächenbeschaffenheit des jeweiligen Körpers ab.

„Schwarzer Körper“: strahlungsundurchlässiger Körper absorbiert die gesamte auftreffende Strahlung.

Emissionsgrad e: Von einer Fläche A pro Zeit abgestrahlte Energie in Relation zu einer gleichen Fläche eines schwarzen Körpers bei gleicher Temperatur.

Absorptionsgrad a: Ist das Verhältnis zwischen absorbierter Strahlungsenergie und auffallender Strahlungsenergie (Kirchhoffsches Strahlungsgesetz: e = a)

PS (Strahlungsleistung) eines schwarzen Körpers ist proportional der Fläche A und der 4.Potenz der absoluten Temperatur.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Strahlungsleistung Ps, auch Bestrahlungsstärke genannt, wird in Watt je Quadratmeter gemessen. In Mitteleuropa kann die Sonneneinstrahlung an einem wolkenfreien Tag im Sommer bis zu 1 kW/m² erreichen.

Die Konstante sigma wird als Stefan-Boltzmann-Konstante bezeichnet und hat die Dimension .[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Ein wärmestrahlender Körper wird nicht nur eine Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, sondern ein Spektrum an verschiedenen Wellenlängen abgeben. Die abgestrahlten Energiemengen bei einer definierten Temperatur sind von der Wellenlänge abhängig. In 0wird die abgestrahlte Energie je Wellenlänge (spektrale Energiedichte) der Wärmestrahlung eines schwarzen Körpers bei verschiedenen Temperaturen dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4, Spektrale Energiedichte[8]

Spezifische Wärmekapazität:

Die Wärmekapazität C eines Körpers ist der Quotient aus zugeführter Wärme dQ und zugehöriger Temperaturerhöhung dT. Die spezifische Wärmekapazität c eines Stoffes ist die Wärme, die notwendig ist, um 1 kg Masse eines Stoffs um 1 K zu erwärmen. C = dQ/dT, Einheit: J/(kg K)

Die spezifische Wärmekapazität c steigt im Allgemeinen mit zunehmender Temperatur.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 2, Spezifische Wärmekapazität fester Körper[9]

Die spezifische Wärmekapazität stellt einen wichtigen Faktor bei der Auswahl eines Speichermediums dar. In Tab. 2, sind Werte für die spezifische Wärmekapazität für verschiedene feste Materialien zusammengefasst, in Tab. 3, Werte für verschiedene Metalle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 3, Spezifische Wärmekapazität Metalle[10]

Metalle werden im Bauwesen kaum als direkter Wärmespeicher in Frage kommen, allerdings wird Metall häufig bei Mediumverbindungen, als Speicherhülle, bei Ventilen, Rohren etc. angetroffen. Daher ist die spezifische Wärmekapazität der mit den Speichermedien in Berührung kommenden Materialien ebenfalls von Wichtigkeit.

In Tab. 4, ist erkennbar, dass Wasser ein sehr effizientes Speichermedium darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 4, Spezifische Wärmekapazität verschiedener Stoffe[11]

3.3.2. Zustandsformen

Schmelzpunkt oder Schmelztemperatur ist jene Temperatur, bei der ein fester Körper unter weiterer Wärmezufuhr, jedoch ohne Temperaturänderung, von dem festen in den flüssigen Zustand übergeht.

Spezifische Schmelzenthalpie (Schmelzwärme) in kJ/kg ist die Wärme in kJ, die zur Verflüssigung von 1 kg eines festen Stoffes bei konstantem Druck und konstanter Temperatur erforderlich ist.

Siedepunkt oder Siedetemperatur ist jene Temperatur, bei der ein flüssiger Körper unter weiterer Wärmezufuhr, jedoch bei konstantem Druck und konstanter Temperatur, vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht.

Spezifische Verdampfungsenthalpie (Verdampfungswärme) in kJ/kg ist jene Wärme in kJ, die zur Verdampfung von 1 kg Masse eines flüssigen Stoffes bei konstantem Druck und konstanter Temperatur erforderlich ist.[12]

3.3.3. Erster Hauptsatz der Wärmelehre

Gefunden von:

Robert Mayer (1814-1878, Arzt), J.P.Joule (1818-1889, Bierbrauer)

Jedes thermodynamische System hat eine innere Energie U, wobei sich ein thermodynamisches System immer auf den Bezugsraum oder eine Stoffmenge der jeweiligen Diskussion bezieht. Zustandsgrößen wie Volumen V, Druck p oder Temperatur T beschreiben die Eigenschaften eines Systems eindeutig. Dazu muss sich das System im Gleichgewicht befinden, das heißt ein abgelesener Druck oder eine Temperatur müssen für das System als Ganzes gelten.

Bei einer Zustandsänderung des Systems ist die Änderung der inneren Energie gleich der Summe der dem System zugeführten Wärme dQzu und der zugeführten Arbeit dWzu abzüglich der vom System verrichteten Arbeit dWab und der abgeführten Wärme dQab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Satz von der Erhaltung der Energie, Energiesatz: „Es gibt kein perpetuum mobile erster Art“. In einem abgeschlossenen System ist die Summe aller Energien konstant.

Zustandsänderungen in einem abgeschlossenen System können unter unterschiedlichen Bedingungen ablaufen, diese seien am Beispiel eines idealen Gases vorgestellt:

Isotherme Zustandsänderung: Bei konstant gehaltener Temperatur

ist das Produkt aus Druck und Volumen konstant; p.V = const. bei T = const.

Isochore Zustandsänderung: Bei konstant gehaltenem Volumen sind Druck und Temperatur einander proportional; T/p = const. bei V = const.

Isobare Zustandsänderung: Bei konstant gehaltenem Druck sind Volumen und Temperatur einander proportional; T/V = const. bei p = const.

Adiabatische Zustandsänderung: Es herrscht kein Wärmeaustausch, völlige Wärmeisolierung gegenüber der Umgebung, keine Zu- oder Abfuhr von Wärme.

Polytrope Zustandsänderung: Diese ordnen sich zwischen den Grenzfällen isotherm und adiabatisch ein.

3.3.4. Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre

Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre macht eine Aussage über die Richtung der Energieübertragung. „Wärme geht niemals von selbst von einem Körper niederer Temperatur zu einem Körper höherer Temperatur über“ (Robert Clausius 1822-1888). Es existieren für den zweiten Hauptsatz einige gleichwertige Formulierungen, zum Beispiel „Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, die mechanische Arbeit allein durch Abkühlung eines Energiespeichers erzeugt.“

Alle Zustandsänderungen in einem abgeschlossenen System verlaufen so, dass die Entropie zunimmt - tant gehaltener Temperatu

Alle Zustandsänderungen in einem abgeschlossenen System vergrößern die Unordnung.

Mit jeder zugeführten Energiemenge wird eine bestimmte Entropiemenge (siehe 3.3.6) geliefert, und die gleiche Energiemenge ist quasi umso mehr wert, je weniger Entropie sie enthält.

Jeder Energiebeitrag der Sonne von 1Ws verknüpft die Entropie von 1/6000 Ws/K = 1,66.10-[[4]] Ws/K. Die Erde strahlt bei einer Temperatur von etwa 250 K, die Entropie wird somit auf der Erde um einen Faktor 6000 K/250 K = 24 erhöht, die Energie sozusagen „entwertet“.

3.3.5. Reversible und irreversible Vorgänge

Für einen reversiblen Prozess gilt, dass bei Umkehr der Richtung eines Ablaufs ohne Energiezufuhr der Ausgangszustand wieder hergestellt werden kann (z.B. kräftefreies und reibungsfreies Rollen einer Kugel bei elastischem Stoß an einer Wand großer Masse).

Bei einem irreversiblen Vorgang ist eine Umkehr zur Wiederherstellung des Ausgangszustands nur durch Einwirkung von Arbeitsaufwand möglich. Irreversible Vorgänge laufen von selbst nur in einer Richtung ab (z.B. das Rosten von Eisen). Für alle realen irreversiblen Prozesse gilt immer, dass Energie beim Prozess frei wird und für dessen Umkehr wieder Energie aufgewendet werden muss: h real < h ideal

3.3.6. Entropie

Für einen reversiblen Kreisprozess ist die Summe der Wärmen, dividiert durch die Temperaturen beim Austausch, gleich Null.

Der vom Weg unabhängige Quotient aus reversibel ausgetauschter Wärme und der absoluten Temperatur beim Austausch wird Entropie S genannt. Ihr Nullpunkt ist willkürlich wählbar. Für einen reversiblen Kreisprozess ist immer DS = 0, für irreversible Prozesse ist immer DS > 0.

Entropieänderung ist ein Maß für die Irreversibilität eines Vorgangs. Je größer die Entropiezunahme bei einem Prozess ist, desto mehr Wärme muss wieder für eine bestimmte Arbeit zugeführt werden und desto weniger Arbeit kann abgeführt werden.

Nur Energieumwandlungen mit geringer Entropieerzeugung sind vernünftig wirtschaftlich nutzbar. Entropie ist ein Maß für die Unordnung in einem System.[13]

4. Speichertechnologien für thermischer Energie

Wärmespeicher können mit verschiedenen Methoden geladen werden.

Unterschieden wird zwischen der sensiblen, der latenten und der thermochemischen Wärmespeicherung. (vgl. Abb. 5, )

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5, Speichertechnologien[14]

4.1. Sensible Wärmespeicherung

Bei der sensiblen Wärmespeicherung wird ein Speichermedium erhitzt oder abgekühlt. Die spezifische Wärmekapazität des Mediums bestimmt die Menge der gespeicherten Energie pro Masseeinheit. Bei dieser Speicherart kann es zu hohen Temperaturunterschieden kommen, daher ist eine adäquate Wärmdämmung von großem Vorteil. Das am häufigsten verwendete Speichermedium bei der sensiblen Speicherung ist Wasser. Es weist eine hohe spezifische Wärmekapazität (4,19 kJ/kg*K) auf, ist leicht verfügbar, mit geringen Kosten und bietet eine gute Umweltverträglichkeit. Anwendung finden sensible Wasserspeicher vorrangig in der Heizungstechnik als Pufferspeicher, unter Zugabe von Frostschutzmitteln ist ein Einsatz auch bei niedrigeren Temperaturen möglich. Auch Feststoffe werden bei der sensiblen Wärmespeicherung eingesetzt, z.B. Kies oder Eisenoxidsteine. Die Speichermedien sensibler Speicher weisen eine eher niedrige Energiedichte auf, allerdings ist die Technik ausgereift und kostengünstig verfügbar.

4.2. Latente Wärmespeicherung

Bei der latenten Wärmespeicherung wird zusätzlich zur sensiblen Speicherung die Energie eines Phasenwechsels des Speichermediums genutzt. Der meist genutzte Phasenwechsel ist der Übergang vom Feststoff in seine flüssige Form. Die Volumenausdehnung beträgt hier in der Regel nicht mehr als 10% und ist somit aus technischer Sicht beherrschbar. Dagegen ist der Übergang von flüssig auf gasförmig mit einer hohen Volumenänderung verbunden und es ist diesem Übergang daher wegen des hohen finanziellen und technischen Aufwandes eine eher untergeordnete Rolle zuzuordnen. Latentspeicher weisen eine höhere Energiedichte als sensible Speicher auf, sie sind daher geeignet, bei kleinen Temperaturunterschieden die thermische Energie länger halten zu können, das bedeutet, dass die Temperatur beim Laden und Entladen über lange Zeit konstant bleibt. Dies ist bei der Temperierung eines Gebäudes von großem Vorteil, wenn eine Speichermedium mit einer Schmelztemperatur zwischen 20 und 25°C verwendet wird. Einer Überhitzung oder Unterkühlung der Räume kann so relativ lange vorgebeugt werden.

4.3. Thermochemische Wärmespeicherung

Bei einer thermochemischen Wärmespeicherung reagieren Speichermedien chemisch miteinander, sie werden nach der Reaktion getrennt und können über längere Zeit gespeichert werden. Bei der Trennung treten kaum Wärmeverluste auf, erst bei der Entladung wird die gespeicherte Energie freigesetzt. Dies ist nur sinnvoll bei chemisch weitgehend reversiblen Reaktionen, d.h. wenn die Reaktion beliebig oft wiederholbar ist und in beiden Richtungen abläuft. Thermochemische Speicher weisen eine sehr hohe Energiedichte auf, ihre technische Entwicklung befindet sich derzeit noch in den Kinderschuhen, aber sie haben ein enormes Entwicklungspotential.

5. Wärmedämmung

Um Verluste der gespeicherten Wärmeenergie zu vermeiden bzw. zu verringern, ist eine geeignete Wärmedämmung unverzichtbar. Besonders bei sensiblen Wärmespeichern ist eine richtig dimensionierte Dämmung von hoher Wichtigkeit. Benötigt wird eine Wärmedämmung auch bei latenten und thermochemischen Speichern, allerdings wird, wegen der geringen Temperaturdifferenz zwischen Wärmespeicher und dessen Umgebung bei latenten Speichern, und der nicht erforderlichen Dämmung während der Speicherung, bei diesen Speichervarianten der Wärmedämmung ein geringerer Stellenwert beigemessen.

Ein entscheidender Faktor zur Ermittlung der korrekten Wärmedämmung ist der Wärmedurchgangskoeffizient U. In Verbindung mit der Fläche A, der Speichertemperatur TS und der Umgebungstemperatur TU lässt sich der Wärmeverlust QVerlust darstellen.

QVerlust = U*A*(TS – TU)

Der Wärmedurchgangskoeffizient U ist nicht nur vom Material selbst, sondern auch von der Stärke bzw. Dicke des Materials abhängig. Der U-Wert gibt an, welche Leistung pro Kelvin Temperaturdifferenz durch eine Fläche von einem Quadratmeter hindurchgeht.

Die Einheit des Wärmedurchgangskoeffizienten ist W/(m² K). (vgl.Tab. 5, .)

[...]


[1] Quelle: (Sterner & Stadler, 2014, S. 5)

[2] Quelle: (Sterner & Stadler, 2014, S. 8)

[3] (Sterner & Stadler, 2014, S. 26)

[4] (Sterner & Stadler, 2014, S. 26)

[5] (Sterner & Stadler, 2014, S. 27)

[6] (Nauer, 2014)

[7] (Sterner & Stadler, 2014, S. 541)

[8] (www.grund-wissen.de/physik)

[9] (Hermann Recknagel, 2006, S. 96)

[10] (Hermann Recknagel, 2006, S. 96)

[11] (Hermann Recknagel, 2006, S. 97)

[12] (Hermann Recknagel, 2006, S. 99)

[13] (Nauer, 2014)

[14] (Sterner & Stadler, 2014, S. 537)

Ende der Leseprobe aus 85 Seiten

Details

Titel
Sind thermische Energiespeicher im großvolumigen Wohnbau im Zuge von Generalsanierungen sinnvoll einzusetzen?
Hochschule
Alpen-Adria-Universität Klagenfurt  (MOT)
Note
2,0
Autor
Jahr
2016
Seiten
85
Katalognummer
V355196
ISBN (eBook)
9783668423152
ISBN (Buch)
9783668423169
Dateigröße
5888 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Energiespeicher, Thermische Speicher, Wärmespeicher, Erneuerbare Energie
Arbeit zitieren
Wolfgang Kopp (Autor:in), 2016, Sind thermische Energiespeicher im großvolumigen Wohnbau im Zuge von Generalsanierungen sinnvoll einzusetzen?, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/355196

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