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Ausgewählte Ausgabe: 09-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Mehrzonen-Feststoffwärmespeicher für Industrie und Gewerbe

Neben dem Ausbau der erneuerbaren Energien wird eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz – insbesondere im Bereich der industriellen Abwärmenutzung – unverzichtbar sein, um eine nachhaltige Energieversorgung sicherzustellen. Ein neuartiger Feststoffwärmespeicher soll dazu einen Beitrag leisten. Entwickelt wird dieser unter Beteiligung der Betonwerk Ribnitz GmbH, Pantlitz, gemeinsam mit der Hochschule Wismar.


Bei vielen Prozessen in Industrie und Gewerbe fallen große Abwärmeströme auf unterschiedlichen Temperaturniveaus an, die derzeit noch häufig ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden. Schätzungen zufolge beträgt in Deutschland das jährliche Energieeinsparpotenzial im Bereich industrieller Abwärme in einem Temperaturbereich ab 60 °C rund 450 PJ oder 125 TWh [1]. Die Nutzung dieses Energiepotenzials setzt allerdings leistungsfähige Wärmespeicher voraus, die die Lücke zwischen dem häufig fluktuierenden Abwärmeanfall und dem kontinuierlichen oder zeitversetzten Wärmebedarf schließen können.
In einem FuE-Kooperationsprojekt entwickelt das Betonwerk gemeinsam mit der Hochschule Wismar einen energieeffizienten Mehrzonenwärmespeicher (MZWS) auf Betonbasis, der die kurz- bis mittelfristige Speicherung von Abwärme auf einem Temperaturniveau bis etwa 400 °C ermöglichen soll.
Mit dem Konzept des mehrzonigen Aufbaus eines Wärmespeichers sollen die Wärmeströme so gesteuert werden, dass die bereitgestellte und benötigte Wärme auf mehreren Temperaturniveaus mit geringen Wärmeverlusten an die Umgebung und bei gleichzeitig maximaler Nutzung der Wärmequelle kurzfristig eingespeist, gespeichert und wieder entladen werden kann. Dies kann durch ein intelligentes Be- und Entladesystem in Verbindung mit einem adaptierten Wärmedämmsystem realisiert werden (Bild 1). Im Vergleich zu konventionellen Einzonenwärmespeichern vereint der Mehrzonen-Feststoffwärmespeicher mehrere Vorteile in sich.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau des Mehrzonenwärmespeichers.

Bild 1: Prinzipieller Aufbau des Mehrzonenwärmespeichers.

Nutzung industrieller Abwärme und erneuerbarer Wärme

Die in der Industrie temporär oder kontinuierlich anfallende Abwärme sowie die über erneuerbare Energieanlagen erzeugte Wärme können auf verschiedenen Temperaturniveaus bis zu 400 °C gespeichert und wieder genutzt werden. Für diese Aufgabe wurde eine Betonrezeptur entwickelt, bei der die verwendeten Zuschlagstoffe eine hohe Belade- und Entladeleistung, Wärmeleitfähigkeit, Hitzebeständigkeit sowie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten garantieren soll. Die volumenspezifische Wärmekapazität liegt mit rund 2 600 kJ/(m3 K) deutlich oberhalb der Wärmekapazität der üblicherweise als Speichermassen verwendeten Betone [2].

Niedrige Transmissionswärme-verluste und Wärmespeicherung

Die um den Speicherkern angeordneten Wärmespeicherzonen sind durch hitzebeständige Zwischenraumdämmungen voneinander getrennt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit der Zwischendämmung und hohe -speicherkapazität der äußeren Speicherzonen führt während der dynamischen Belade- und Entladeprozesse zu einem verzögerten Wärmetransport von innen nach außen und damit zu einem niedrigen Temperaturgradienten zwischen der äußeren Zone und der Umgebung. Dadurch lassen sich die Transmissionswärmeverluste an die Umgebung um bis zu 90 % im Vergleich zu einem Einzonenwärmespeicher reduzieren. Während des laufenden Betriebs des Mehrzonenwärmespeichers stellen sich in den verschiedenen Zonen, in Abhängigkeit von den jeweils zu- und abgeführten Wärmemengen, unterschiedliche Temperaturen mit einem fallenden Gradienten von innen nach außen ein. Die zur Verfügung stehende Wärmeenergie lässt sich somit auf bedarfsgerechten Temperaturniveaus für diverse Anwendungen nutzen.

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Autoren

Dr.-Ing.  Muhamad Ayas Harfosh

Wismar – University of Applied Sciences, Wismar
muhamad_ayas.harfosh@hs-wismar.de

Prof. Dr.-Ing. Mathias Wilichowski

Wismar – University of Applied Sciences, Wismar
mathias.wilichowski@hs-wismar.de

Dipl.-Ing. Heiko Rudlof

Betonwerk Ribnitz GmbH, Pantlitz,
hr@betonwerk-ribnitz.de

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