ENERGIE. ZUKUNFT. ZAE. · ENERGIE. ZUKUNFT. ZAE. Vakuumsuperisolation (VSI): Stand der Forschung...

Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 1© Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V.Alle Rechte vorbehalten, auch bezüglich jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung und Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtanmeldungen.

ENERGIE.ZUKUNFT. ZAE.

Vakuumsuperisolation (VSI): Stand der Forschung und Entwicklung zu höchsteffizienter Dämmung und Wärmespeicherung im Gebäudebereich sowie in der energieeffizienten Industrie“

Dr. Thomas Beikircher, 29.3.2017, KarlsruheVortrag im Seminar Erneuerbare Energien von Prof. H. Fehrenbach

Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 2

Inhalt

1. Einführung | Vorstellung ZAE Bayern

2. Dämmung und Vakuumsuperisolation (VSI) | physikalische Grundlagen

3. VSI-Speicher | solare Anwendung

4. Vakuumisolationspaneele (VIP) | Funktionsweise, Anwendungen

5. Hochtemperatur-VSI | Potenzial, Anwendungsmöglichkeiten

6. Wirtschaftlichkeit der VSI | Kosten, Amortisationszeiten

7. Zusammenfassung und Ausblick

Vorstellung ZAE Bayern

ZAE Bayern – Mission und Vision

Seit 1991 betreibt das ZAE:

• Forschung, • Umsetzung in die Praxis, • Aus-, Fort- und Weiterbildung und• Beratung und Information

auf allen Gebieten, die für die Energie-technik sowie die sich mit ihr befassenden Wissenschaften bedeutsam sind.

Ziel: Realisierung einer CO2-neutralenEnergieversorgung durch synergetischen Einsatz von Erneuerbaren Energien undEnergieeffizienztechnologien

Das ZAE in Zahlen (2015)

261 Projekte

16,5 Mio. €Jährlicher Umsatz

231 Mitarbeiter

1 Verein

37 Mitglieder

4 Mio. €Institutionelle Förderungdurch

3 Standorte Würzburg

ErlangenNürnberg

Garching

1 Infocenter

304 Partner2 Außenstellen

120Veröffentlichungen

93 Hochschulen & Institute

211 Unternehmen

Wissenschaftliche Bereiche

ERNEUERBARE ENERGIEN (RE)Standorte Erlangen|Nürnberg|Hof

Wiss. Leiter: Prof. BrabecBereichsleiter: Dr. Hauch

Wissenschaftliche Bereiche

ENERGIESPEICHERUNG (ES)Standort Garching

Wiss. Leiter: Prof. SpliethoffBereichsleiter: Dr. Hauer

ENERGIEEFFIZIENZ (EF)Standort Würzburg

Wiss. Leiter: Prof. DyakonovBereichsleiter: Dr. Ebert

Bereich Energiespeicherung (ES)

Flexibilität für Strom und Wärme

Bereich ESEnergie-speicherung

SystemEngineeringEnergiekonzepteStudien & Szenarien

Solarthermie &GeothermieSolare NahwärmeGeothermie

Thermische EnergiespeicherKälte und WärmeSpeichermaterialien

Elektrische EnergiespeicherRedox-Flow-BatterienElektrolyse

Wärme-transformationWärmepumpenKältemaschinen

Lehrstuhl fürTechnische Elektrochemie

~85 Mitarbeiter~5,5 Mio. € F&E-Mittel/Jahr~3500 qm Forschungsfläche

Das ZAE – Angewandte Forschungfür Industrie und Wirtschaft

ZAEZAE

1 2 3 4 5 6 7 8 9TRL (Technology Readiness Level)

Akademische Forschung

PrivateWirtschaft

Grundlagen-forschung

AngewandteForschung

TechnologieEntwicklung

Prototypen &Systementwicklung

Von den Grundlagen bis zum Demonstrator

Das ZAE überbrückt die Lücke zwischen Grundlagenforschung und Vermarktung von neuen Technologien

Vom KMU bis zum Konzern

Partner des ZAE

Vom KMU bis zum Konzern

Partner des ZAE

Preise und sonstige Auszeichnungen

Auszeichnungen des ZAE

Vakuumsuperisolation (VSI)

ThermischeSolaranlage

Geschichte der VSI-Speicher-Entwicklung am ZAE

Speicher mit hohen Verlusten

Mineralwolle-Dämmung

Flüssiggas-Speicher mit Vakuumsuperisolation

Technologie-Transfer

-200 °C

90 °C

Linde Group

Wichtige Größen für Dämmung und Wärmespeicher

• U-Wert:streng genommen für ebene Geometrie,gute Näherung für d << R:

• Wärmeleitfähigkeit λ:Voraussetzung: Materialkonstante

Grundlagen der Wärmeübertragung

� =��

� ∙ ∆�=

��

� ∙ � − ��

� = � ∙

��

Wärmedämmtechniken

• Z.B. Mineralwolle, Polyurethan, Polystyrol, Schaumglas, Zellulose, Perlit, Blähtongranulat, …

• Vollständige Unterdrückung der Konvektion durch Hohlräume im µm- bis mm-Bereich

• Verringerung des Strahlungstransports durch Absorption und Streuung

• Wärmeleitung über Festkörperanteil sowie Gas (i.d.R. Luft) in den Hohlräumen

• Wärmeleitfähigkeit λ als Materialkonstante, enthält Festkörper-, Gas- und Strahlungsanteil:

• Untere Grenze: λ ≥ λLuft (0,026 W/mK bei 25 °C)

• Typische Werte: λ = 0,03–0,1 W/mK (bei 25 °C)

Konventionelle Dämmstoffe

� =�

⇒ �� = � ∙

∙ ∆�

Konventionelle Dämmung und Feuchte

F. Ochs et al., J. heat mass tr., http://144.206.159.178/ft/490/589701/12094719.pdf

Wärmeleitfähigkeiten bis zu 30fach erhöht , sogar über λWasser, bereits bei kleinem Wassergehalt, besonders kritisch oberhalb 70°C - 90°C

Vakuumisolation

• Z.B. Thermoskanne, Dewar-Gefäß

• Evakuieren eines dünnen Spalts zwischen zwei ineinander liegenden Behältern

• Vollständige Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung

• Keine Festkörperwärmeleitung (im Spalt)

• Ungehinderter Strahlungsaustausch zwischen Begrenzungswänden mit Emissionsgrad ε1 bzw. ε2:

• Pseudo-Wärmeleitfähigkeit (keine Materialkonstante):

�� =� ∙ � ∙ �

� ��

��1

�� 1

� � ∙ � ∙ � ��

�∗� � ∙ �

� ∙ ��

�� ∙

��1

�� 1 LepoRello (Wikipedia)

Vergleich der verschiedenen Isolationstechniken

0 2 4 6 8 10

Abstand d [cm]

konv. Dämmung

Perlit-VSI

VI (e = 0,05)

90 °C 10 °C

d(ε = 0,05)

q = λ/d ∆T

Vergleich der verschiedenen Isolationstechniken

0 2 4 6 8 10

Abstand d [cm]

konv. Dämmung

Perlit-VSI

VI (e = 0,05)

750 °C 10 °C

d(ε = 0,05)

• Doppelwandiger Stahlbehälter, druckfest

• Mikroporöses Pulver im Ringspalt

• Evakuierung der Dämmung(ca. 0,01 mbar)

VSI: „Befüllen“ des Vakuums mit Struktur (z.B. Pulv er)

Außenbehälter

Innenbehälter mitflüssigem Inhalt

Evakuierter Ringspalt mit Perlit-Füllung

Gesamtwärmeleitfähigkeit :

≈ 0,003 … 0,005 W/mK bei Tieftemperatur-Anwendungen (-200 °C)

≈ 0,007 … 0,009 W/mK bei Warmwasserspeicherung (100 °C)

≈ 0,0250 … 0,050 W/mK bei Hochtemperatur Anwendung (750 °C)?

VSI-Pulvermaterial: Expandiertes Perlit

• Rohperlit

• Vulkanisches Glas, Wasseranteil: 2–5 %

• Hauptvorkommen: Griechenland, Türkei, USA

• Chemische Zusammensetzung: SiO2 (65–75 %),Al2O3 (10–15 %), K2O, Na2O, Fe2O3, CaO, MgO

• Expansionsprozess

• Erhitzen auf ca. 1000 °C

• Erweichen des glasartigen Materials

• Verdampfen des gebundenen Wassers

• Porenbildung durch Volumenausdehnung

• Expandiertes Perlit

• Dichte: 50–75 kg/m³

• Porosität ca. 98 %

• Mittlere Porengröße im Bereich 10–100 µm

• Preis: 50–75 €/m³

Bergama

Wärmetransportmechanismen:

• Konvektion:Netto-Stofftransport (frei odererzwungen) in einem Fluid.

• Wärmeleitung (Konduktion):Diffusionsvorgang, i.d.R. Stößezwischen Teilchen.

• Strahlungstransport: Abstrahlungvon thermischer Energie (Photonen)aufgrund der Temperatur.

Grundlagen der Wärmeübertragung

� ��

Festkörperwärmeleitung & Kontaktwiderstände

Wärmeleitfähigkeit des massivenFestkörperanteils: ≈ 1 W/mK

Festkörperwärmeleitfähigkeit vonPerlit-Pulver: ≈ 0,001 W/mK

→ Reduktionsfaktor 1000

Druckabhängiger Gaswärmetransport

• Kontinuum:

• Freie Molekül-

bewegung:

Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden.

charfreicharfrei dldl =>−>>

26.01.2011 25Vakuumsuperisolation

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000Druck in mbar

freilp*∝λ

eitfä

eit λ

Vergleich VI und VSI: Anforderungen an das Vakuum

Gaswärmeleitfähigkeit als Funktion des Vakuumdrucks bei verschiedenen Wandabständen d

0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

eitfä

Vakuumdruck [mbar]

d = 10 cm

10 - 410 - 510 - 6

λ=1/3 lfrei v n f/2 kB

lfrei ~ 1/n

0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

eitfä

Vakuumdruck [mbar]

d = 10 cm

d = 100 µm (Perlit)

Vergleich VI und VSI: Anforderungen an das Vakuum

Gaswärmeleitfähigkeit als Funktion des Vakuumdrucks bei verschiedenen Wandabständen d

Zulässiger Vakuumdruck:0,01 mbar anstatt 10 - 5 mbar

10 - 410 - 510 - 6

A) Strahlungsaustausch zwischen ebenen Platten (mit N Folien)

Strahlungsmitteltemperatur

B) Strahlungstransport im VSI-Pulver: Absorption + Re-Emission, Streuung

Massenspezifischer Extinktionskoeffizient , Erhöhung durch Zumischen von

Infrarot-Trübungsmitteln, (Fe2O3, SiC)

Strahlungstransport

⋅⋅⋅⋅=

ρσλ

( )( )321

1r TT TT4

1T ++=

( )Te*

⋅⋅⋅=N

BAYERISCHES ZENTRUM FÜR ANGE-WANDTE ENERGIEFORSCHUNG E.V.Walther Meissner 6, D-85748 Garching

ρσ=λ = 2,6 mW/mK

bei 100°C/20°Cund 100 kg/m³

Spektrometermessung: Extinktion von Perlit

VSI-Materialien

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

Gasdruck pGas [mbar]

Wärmeleitfähigkeiten VSI-Materialien

Polyurethanhartschaum Glasfasern

pyrogene Kieselsäure Aerogel

Perlit

• Perlit: Kosten nur 50 €/m³, 0,05 mbar erforderlich, 7-10 mW/mK erreichbar, 50 mW/mK bei 1000 mbar

• Pyr. Kieselsäure: 10mal teurer, nur 10 mbar erforderlich, 3-5 mW/mK erreichbar, 20 mW/mK bei 1000 mbar

Vergleich der Wärme-transportmechanismen

Pulver-VSIVakuum-

isolierung (VI)

Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung durch Evakuieren ��

Warum dämmt eine Pulver-VSI besser als eine Vakuumisolierung (VI) in der Thermoskanne?

Pulver-VSIVakuum-

isolierung (VI)

Keine Wärmeleitung über Festkörper-material im Isolationsvolumen ��

Pulver-VSIVakuum-

isolierung (VI)

Verringerung des Strahlungstransports durch Absorption und Streuung ��

Pulver-VSIVakuum-

isolierung (VI)

Verringerung des Strahlungstransports durch Absorption und Streuung ��

Insgesamt ++ +

Zusammenfassung: Wärmetransport in der Pulver-VSI

Die hervorragende Dämmwirkung der Pulver-VSI erklärt sich wie folgt:

Konvektion

Wärme-strahlung

Moderates Evakuieren

Kleine Kontakt-flächen d. Körner

Absorption und Streuung, ggf. mit

Trübungsmittel

Festkörper-wärmeleitung

Gas-wärmeleitung

Vollständige Unterdrückung

Deutliche Verringerung

Wärmetransport in einer VSI

FolienFasern PulverSchaum

Konvektion

Gaswärmeleitung

Vakuumsuperisolation

Wärme-

strahlung Festkörper-

wärmeleitung

EvakuierenAbsorption +

Streuung

kleinste

Kontakte,

„Umwege“

VSI mit Folien

Mars Reconnaissance Orbiter, 2005-2008

Ca. 20 - 40 metallbedampfte Kunststofffolien („Spiegel“) Netz aus Seide oder Kunststoff als Abstandshalter (→ Festkörperwärmebrücken)

Strahlungsreduktion in der Praxis bis zu 95% , Q ̴ 1/(N + 1) Hochvakuum erforderlich, aber leichter evakuierbar

λ = 0,001-0,002 W/mK erreichbar

Bei terrestrischen Anwendungen:

• Zu hoher Aufwand

• Zu hohe Kosten

VSI mit Folien

VSI mit Pulver

Quelle: http://www.perlite.it/en/what_s_Perlite.asp

• BMU Förderkennzeichen 0325964A

• 16 m³-Speicher im Heizungssystem eines

Bürogebäudes

• Außendurchmesser 2,4 m

• Tinnen: 87 °C, Taußen: - 4 °C

• Gemessene Auskühlrate: 0,23 °C pro Tag

konventionelle Speicher : 1–3 °C pro Tag

Beispielprojekt: „Superisolierter Heißwasser-Langzeitwärmespeicher“, ZAE Bayern (2012)

Verbesserung um Faktor 4 – 10

Modellierung des Wärmetransports und Betrachtung der einzelnen Transportmechanismen

Optimierung für Warmwasserspeicher:T = 100 °Cp = 0,01 mbarρ = 65 kg/m³λ = 0,007 W/mK

Strahlung Festkörper Gas

Beikircher T., Demharter M. Journal of Heat Transfer,135, 051301. (2013)

Heat Transport in Evacuated Perlite Powders for Super-Insulated Long-Term Storages up to 300 °C

Fa. Hummelsberger, Mühldorf am Innvakuumpufferspeicher.de

Zusammenführung Innen- & Außenbehälter

Befüllung mit Perlit

Evakuieren des Ringspalts

λeffundoptimale Schüttdichte für beliebige

Speichertemperatur

ρσ=λ

21s C C +ρ=λ

Te C 3

T 16 σ=ρ

Simulation von solaren Anwendungsfällen

Solarer Deckungsgrad f = Einsparung konventionelle r Energie

%(konv)Etot

(solar)Etot(konv)Etotf sav 100⋅−

Vergleich des konventionellen Energieverbrauchs des solaren mit einem rein konventionellem Wärmeerzeugungssystem

solar konventionell

Warmwasser (4 Personen): 3500-4500 kWh/a

Heizwärmebedarf• Altbau „mittel “: 150 kWh/m²a 27000 kWh/a• Altbau „normal“ saniert: 100 kWh/m 18000 kWh/a • Neubau Niedrigenergiehaus: 50 kWh/m²a 11000 kWh/a• Neubau Passivhaus: 15 kWh/m²a 6000 kWh/a

Energieinhalt Wasserspeicher: 60-100 kWh/m³ -> 10-300 m³ Volumen für Jahresenergiebedarf erforderlich (saisonale Speicherung ohne Auskühlung, ohne Durchmischung)Wärmegewinn von Sonnenkollektoren: typisch 400 kWh/m²a, also 15 – 75 m² Kollektorfläche erforderlich ohne Speicherverluste, ohne Stagnation

Einfamilienhaus: Energieverbrauch, Speichervolumen u nd Kollektorfläche für solare Volldeckung

-> Hohe solare Deckungsgrade nur über Reduktion des Energiebedarfs

Solaranlage mit hohem Deckungsgrad und VSI-Speicher: Systemsimulationen

200 l/dbei 50°C

35 °C Vorlauf25 °C Rücklauf

150 m² München

Einfamilienhaus am Standort München

Simulationen, EFH 150 kWh/m²a, Altbau, Flachkollektoren mit 2,3 m²

0 5 10 15 20

Anzahl der Kollektoren

1 m³ PU hart - Speicher RK1 m³ PU hart - Speicher5 m³ PU hart - Speicher7 m³ PU hart - Speicher11 m³ PU hart - Speicher15 m³ PU hart - Speicher20 m³ PU hart - Speicher30 m³ PU hart - Speicher1 m³ VSI - Speicher RK1 m³ VSI - Speicher5 m³ VSI - Speicher7 m³ VSI - Speicher11 m³ VSI - Speicher15 m³ VSI - Speicher20 m³ VSI - Speicher30 m³ VSI - Speicher

Simulationen, 50 kWh/m²a, NiedrigenergiehausFlachkollektoren mit 2,3 m²

10 m² FPC

27 m² FPC

Simulationen, EFH 15 kWh/m²a, PassivhausFlachkollektoren mit 2,3 m²

0 5 10 15 20

Anzahl der Kollektoren

1 m³ PU hart - Speicher

1 m³ VSI - Speicher

10 m² FPC10 m² FPC

Pilotanlage

VSI PUfsav 65% 60%

Simulationen, EFH Melzer, 230 m², 150 kWh/m²a

11 m³ VSI-Speicher

Vakuum: Langzeitverhalten über 20 Jahre, 1. Prototy p

Nach 20 Jahren 1,4 mbar, λ = ?? mW/mK, Pyrogene Kieselsäure: 5 mW/mK

Ergebnisse der Labormessungen: Druckabhängigkeit de r Gaswärmeleitung (Poren + Kornzwischenräume)

Anfangsdruck im ersten16,5 m³ Prototypen

Druck nach 20 a im ersten16,5 m³ Prototypen

Nach 20 Jahren 1,4 mbar -> Perlit: λ = 20 mW/mK, pyrogene Kieselsäure: 5 mW/mK

3fach besser als trockene Mineralwolle, Nachevakuieren einfach möglich

Zusammenfassung der Simulationsergebnisse VSI in So laranlage

VSI-Dämmung

• spart Kollektorfläche bei gleicher solarer Deckung und Speichervolumen

• VSI-Dämmung erhöht solare Deckung bei gleicher Kollektorfläche und Speichervolumen

Hohe solare Deckungsgrade ( > 75%) sinnvoll nur mit großem VSI-Speicher.

Vakuumisolationspaneele (VIP)

Lichtblau Architekten

Druckfestes VSI-Pulver: Pyrogene Kieselsäure

• Herstellungsprozess: Flammenhydrolyse von SiCl4

• SiO2-Tröpfchen (Primärpartikel)

• Verschmelzen zu Aggregaten

• Anlagerung zu Agglomeraten

• Chemische Bestandteile: Reines SiO2 (>99,8 %)

• Eigenschaften

• Dichte: 50–120 kg/m³

• Porosität ca. 98 %

• Mittlere Porengröße im Bereich 10–100 nm

• Eigenstabil gegen Vakuumdruck

• Preis: 250–350 €/m³ Evonik Industries

• Kern: gepresste pyrogene Kieselsäure + evtl. Trübungsmittel

• Diffusionsdichte Hülle: 2 Varianten

• 6 µm Al-Folie

• PE-Folie mit Al-Beschichtung (30nm)

Aufbau von VIPs

energie-tib

Wärmeleitfähigkeit: λ ≈ 0,005 W/mK

• Gebäudedämmung

• Altbausanierung

• Energetisch optimierte Neubauten

(Niedrigenergie-, Passivhaus)

• Transport, z.B. von gekühlten Medikamenten

→ Platzersparnis

• Kältetechnik (Kühlschränke, etc.)

VIP-Anwendungen: ebene Geometrien

va-Q-tec

Hochtemperatur-VSI

Oetinger

Potenzialanalyse Hochtemperatur-VSI

Wärmeleitfähigkeit verschiedener Hochtemperatur-Dämmstoffe in Abhängigkeit der Temperatur und Vergleich mit theoretisch erwarteten (nicht experimentell gesicherten) Werten für eine Perlit-VSI.

0 100 200 300 400 500 600 700 800

eitfä

Temperatur [°C]

Mineralwolle (belüftet)

HT-Mineralwolle (belüftet)

Silikatfasermatten (belüftet)

Calciumsilikatplatten(belüftet)

pyr. Kieselsäure (belüftet,mikroporös, getrübt)

Perlit-Pulver (evakuiert)

Perlit-Pulver (evakuiert,getrübt)

Materialoptimierung für den Hochtemperatur-Bereich

Nicht-optimiertes VSI-Pulver:Expandiertes PerlitT = 380 °C (Mitteltemperatur)p = 0,01 mbarρ = 65 kg/m³Kein IR-Trübungsmittelλ ≈ 0,05 W/mK

HT-optimiertes VSI-Pulver:Perlit (oder pyrogene Kieselsäure)T = 380 °C (Mitteltemperatur)p = 0,01 mbarρ = 90 kg/m³IR-Trübungsmittel, z.B. SiC, Fe3O4λ ≈ 0,02 W/mK

Festkörper Strahlung Gas

Materialoptimierung für den Hochtemperatur-Bereich

Nicht-optimiertes VSI-Pulver:Expandiertes PerlitT = 380 °C (Mitteltemperatur)p = 0,01 mbarρ = 65 kg/m³Kein IR-Trübungsmittelλ ≈ 0,05 W/mK

HT-optimiertes VSI-Pulver:Perlit (oder pyrogene Kieselsäure)T = 380 °C (Mitteltemperatur)p = 0,01 mbarρ = 90 kg/m³IR-Trübungsmittel, z.B. SiC, Fe3O4λ ≈ 0,02 W/mK

Die angegebenen Werte sind Abschätzungen und Extrapolationen!

Festkörper Strahlung Gas

Anwendungsfelder für Hochtemperatur-VSI

• Transportbehälter für Flüssigaluminium

• Höhere Reichweite

• Niedrigerer Energiebedarf

• Niedrigere Außentemperatur

• Höheres Nutzvolumen

Bartz Maschinenbau

Bild Quelle Herpa

Bisherige Dämmung der Behälter:

• Verlust: 10 °C pro Stunde

• Behälterinhalt: 6 t Aluminium ≈ 2,5 m3

• Oberfläche: ≈ 9 m2

• U-Wert: ≈ 3 W / m2 K

Beispielrechnung für Flüssigaluminium -Behälter

Potenzial der Pulver-VSI:

• Wärmeleitfähigkeit: 0,025 – 0,05 W / m K

• 5 cm Dämmstärke (→ Nutzvolumen)

• U-Wert: 0,5 … 1 W / m 2 K

Pulver-VSI

Flüssig-aluminium

Temperaturverlust ca. 2–4 °C pro Stunde (ohne Decke l)

Bartz Maschinenbau

Anwendungsfelder für Hochtemperatur-VSI

• Transportbehälter für Flüssigaluminium

• Höhere Reichweite

• Niedrigerer Energiebedarf

• Niedrigere Außentemperatur

• Höheres Nutzvolumen

• Industrielle Hochtemperatur-Prozesse

• Industrieöfen & Prozesskammern

• HT-Wärmespeicher zur Abwärmenutzung

• Dämmung von Rohrleitungen

Deutsche Fotothek

Bartz Maschinenbau

Aluminium -Schmelzöfen

• Z.B. Drehtrommelöfen, Gießöfen

• Herausforderung: Konstruktive Realisierungeines evakuierbaren Hohlraums

• Potential: Erhöhung der Energieeffizienz durch deutliche Reduzierung der Wärmeverluste

Hertwich

Steuler

Seco/Warwick

Abwärmespeicher

• ZAE-Projekt „Industrielle Abwärmenutzung einer Gießerei“, BMWi-gefördert

• Zwischenspeicherung diskontinuierlicher Abwärme aus Rauchgas

• Zweistoffspeicher (Thermo-Öl + Feststoff) mit T = 300 °C, VSI

• Nutzung der Wärme in einem Trocknungsprozess

Rohrleitungen

• Wärmeträger: Dampf, Thermo-Öl, Luft

• Konstruktion doppelwandiger VSI-Rohre bereits seit ca. 1985 bekannt aus der Fernwärmetechnik (bis 180 °C)

Alsa Group

Hochtemperatur-VIPs?

• Kunststoff-Folien: generell ungeeignet

• Aluminium-Folien: Erhöhte Gasdiffusion bei hohen Temperaturen

• Ausweichen auf Stahlhüllen notwendig (VIS)

• Folien (50 µm) → aufwendige Fertigung

• Bleche → verschweißbar

US patent 4517263 A

Parallele-Platten-Apparatur mit Variation von ρ, p, T, Pulvermischung, Trübung

Labormessungen zur Wärmeleitfähigkeit von Perlit bei verschiedenen

Temperaturen, Schüttdichten und Vakuumdrücken

ρσ=λ

Spektrometermessung: Extinktion von Perlit

Mit Trübung

Wirtschaftlichkeit der VSI

Amortisation eines VSI-HT-Speichers

• Vergleich: 25 m³ VSI-Speicher mit 20 cm Dämmung im Ringspalt gegenüber konventionellem Speicher mit 20 cm Mineralwoll-Dämmung

• Speichertemperatur 600 °C, Außentemperatur 0 °C

10.000

20.000

30.000

40.000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Zeit [Jahre]

• Zusätzliche Investitions-kosten: 17.750 €

• Jährliche Einsparung: 6.140 €

• Amortisationszeit:ca. 3 Jahre

Zusammenfassung und Ausblick

• Vakuumsuperisolation (VSI) ist die heute bestmögliche Dämm-Methode, moderate Vakua sind ausreichend. Wärmeleitfähigkeiten 1 -10 mW/mK (-200 °C bis 200°C).

• In der Praxis: VSI mit Perlit erreicht bei Heißwasserspeichern bis 150°C ca. 5-mal bessere Isolationswerte als konventionelle Dämmstoffe, VIPs noch besser (< 70°C).

• Bei 750 °C werden unter Einsatz eines Infrarot-Trübungsmittels Werte erwartet, die

um einen Faktor 3 bis 10 unter denen heutiger Hochtemperatur-(HT) Dämmstoffe

bzw. Feuerfest-Materialien liegen bei besserer Ökonomie.

• Experimentelle Bestätigung der Wärmeleitfähigkeit ist für den HT-Bereich noch nicht

erfolgt (Forschungsbedarf). Physikalische Modellierung fortgeschritten.

• Je nach Anwendung kann auch die vakuumdichte HT-Einhüllung der VSI-Pulver

konstruktiv herausfordernd sein (Geometrie/Druckfestigkeit, Entwicklungsbedarf).

Zusammenfassung und Ausblick

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Dr. Thomas BeikircherMatthias Demharter, M.Sc.

ZAE BayernBayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e. V. Bereich: Energiespeicherung

Walther-Meißner-Str. 6D-85748 Garching

Tel.: +49 89 329442-51Fax: +49 89 329442-12

Thomas.beikircher@zae-bayern.dematthias.demharter@zae-bayern.dehttp://www.zae-bayern.de

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