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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, Karlsruhe Vortrag im Seminar Erneuerbare Energien von Prof. H. Fehrenbach

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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

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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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 3© 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.

Vorstellung ZAE Bayern

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 4

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 5

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

Hof

1 Infocenter

304 Partner2 Außenstellen

120Veröffentlichungen

93 Hochschulen & Institute

211 Unternehmen

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 6

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 7

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

HCV

SYS

SGT

TES

EES

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 8

Das ZAE – Angewandte Forschungfür Industrie und Wirtschaft

ZAEZAE

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

Res

sour

cen

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 9

Vom KMU bis zum Konzern

Partner des ZAE

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 10

Vom KMU bis zum Konzern

Partner des ZAE

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 11

Preise und sonstige Auszeichnungen

Auszeichnungen des ZAE

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Vakuumsuperisolation (VSI)

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 13

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 14

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

� =��

� ∙ ∆�=

��

� ∙ � − ��

� = � ∙

���

��

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 15© 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.

Wärmedämmtechniken

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 16

• 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

� =�

⇒ �� = � ∙

∙ ∆�

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 17

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 18

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

��1

�� 1 LepoRello (Wikipedia)

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 19

Vergleich der verschiedenen Isolationstechniken

0

50

100

150

0 2 4 6 8 10

Wär

mes

trom

dich

te [W

/m²]

Abstand d [cm]

konv. Dämmung

Perlit-VSI

VI (e = 0,05)

90 °C 10 °C

d(ε = 0,05)

q = λ/d ∆T

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 20

Vergleich der verschiedenen Isolationstechniken

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

Wär

mes

trom

dich

te [W

/m²]

Abstand d [cm]

konv. Dämmung

Perlit-VSI

VI (e = 0,05)

750 °C 10 °C

d(ε = 0,05)

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 21

• 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)?

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 22

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 23

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

� ��

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 24

Festkörperwärmeleitung & Kontaktwiderstände

Wärmeleitfähigkeit des massivenFestkörperanteils: ≈ 1 W/mK

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

→ Reduktionsfaktor 1000

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 25

Druckabhängiger Gaswärmetransport

• Kontinuum:

• Freie Molekül-

bewegung:

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charfreicharfrei dldl =>−>>

26.01.2011 25Vakuumsuperisolation

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

freilp*∝λ

Wär

mel

eitfä

higk

eit λ

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 26

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

Gas

wär

mel

eitfä

higk

eit

Vakuumdruck [mbar]

d = 10 cm

10 - 410 - 510 - 6

λ=1/3 lfrei v n f/2 kB

lfrei ~ 1/n

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 27

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

Gas

wär

mel

eitfä

higk

eit

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 28

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

( )r

rr Te

T*

3

3

16

⋅⋅⋅⋅=

ρσλ

( )( )321

2

2

2

1r TT TT4

1T ++=

( )Te*

)1(

1

111

4

21

3

−+

⋅⋅⋅=N

dTrr

εε

σλ

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 29

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

( )r

*

3

rr

Te 3

T 16

ρσ=λ = 2,6 mW/mK

bei 100°C/20°Cund 100 kg/m³

Spektrometermessung: Extinktion von Perlit

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 30

VSI-Materialien

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

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

rme

leit

fäh

igk

eit

λ[m

W/m

K]

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 31

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?

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 32

Vergleich der Wärme-transportmechanismen

Pulver-VSIVakuum-

isolierung (VI)

Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung durch Evakuieren ���� ����

Keine Wärmeleitung über Festkörper-material im Isolationsvolumen ���� ����

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 33

Vergleich der Wärme-transportmechanismen

Pulver-VSIVakuum-

isolierung (VI)

Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung durch Evakuieren ���� ����

Keine Wärmeleitung über Festkörper-material im Isolationsvolumen ���� ����

Verringerung des Strahlungstransports durch Absorption und Streuung ���� ����

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 34

Vergleich der Wärme-transportmechanismen

Pulver-VSIVakuum-

isolierung (VI)

Unterdrückung von Konvektion und Gaswärmeleitung durch Evakuieren ���� ����

Keine Wärmeleitung über Festkörper-material im Isolationsvolumen ���� ����

Verringerung des Strahlungstransports durch Absorption und Streuung ���� ����

Insgesamt ++ +

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 35

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

Deutliche Verringerung

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 36

Wärmetransport in einer VSI

FolienFasern PulverSchaum

Konvektion

Gaswärmeleitung

Vakuumsuperisolation

Wärme-

strahlung Festkörper-

wärmeleitung

EvakuierenAbsorption +

Streuung

kleinste

Kontakte,

„Umwege“

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 37

VSI mit Folien

26.01.2011 37Vakuumsuperisolation

Mars Reconnaissance Orbiter, 2005-2008

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 38

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

26.01.2011 38Vakuumsuperisolation

VSI mit Folien

Page 39: ENERGIE. ZUKUNFT. ZAE. · ENERGIE. ZUKUNFT. ZAE. Vakuumsuperisolation (VSI): Stand der Forschung und Entwicklung zu höchsteffizienter Dämmung und Wärmespeicherung im Gebäudebereich

Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 39

VSI mit Pulver

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 40

• 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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 41

Modellierung des Wärmetransports und Betrachtung der einzelnen Transportmechanismen

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

0

0,002

0,004

0,006

0,008

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 42

Fa. Hummelsberger, Mühldorf am Innvakuumpufferspeicher.de

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 43

Zusammenführung Innen- & Außenbehälter

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 44

Befüllung mit Perlit

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 45

Evakuieren des Ringspalts

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 46

λeffundoptimale Schüttdichte für beliebige

Speichertemperatur

( )r

*

3

rr

Te 3

T 16

ρσ=λ

21s C C +ρ=λ

( )r

*

1

3

ropt

Te C 3

T 16 σ=ρ

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 47

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

Simulation von solaren Anwendungsfällen

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 48

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 49

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 50

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 51

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 520

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20

Anzahl der Kollektoren

Sol

arer

Dec

kung

sgra

d

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 53

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

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20

Anzahl der Kollektoren

Sol

arer

Dec

kung

sgra

d

1 m³ PU hart - Speicher

5 m³ PU hart - Speicher

7 m³ PU hart - Speicher

11 m³ PU hart - Speicher

15 m³ PU hart - Speicher

20 m³ PU hart - Speicher

30 m³ PU hart - Speicher

1 m³ VSI - Speicher

5 m³ VSI - Speicher

7 m³ VSI - Speicher

11 m³ VSI - Speicher

15 m³ VSI - Speicher

20 m³ VSI - Speicher

30 m³ VSI - Speicher

10 m² FPC10 m² FPC

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 54

Pilotanlage

VSI PUfsav 65% 60%

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 55

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 56

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 57

11 m³ VSI-Speicher

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 58

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 59

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 60

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 61

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 62

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 63

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 64

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 65

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 66

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 67

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 68

Vakuum: Langzeitverhalten über 20 Jahre, 1. Prototy p

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 69

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 70

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.

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 71© 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.

Vakuumisolationspaneele (VIP)

Lichtblau Architekten

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 72

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 73

• 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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 74

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

HASIT

va-Q-tec

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 75© 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.

Hochtemperatur-VSI

Oetinger

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 76

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

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Wär

mel

eitfä

higk

eit [

W/m

K]

Temperatur [°C]

Mineralwolle (belüftet)

HT-Mineralwolle (belüftet)

Silikatfasermatten (belüftet)

Calciumsilikatplatten(belüftet)

pyr. Kieselsäure (belüftet,mikroporös, getrübt)

Perlit-Pulver (evakuiert)

Perlit-Pulver (evakuiert,getrübt)

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 77

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

0

0,02

0,04

0,06

Festkörper Strahlung Gas

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 78

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!

0

0,02

0,04

0,06

Festkörper Strahlung Gas

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 79

Anwendungsfelder für Hochtemperatur-VSI

• Transportbehälter für Flüssigaluminium

• Höhere Reichweite

• Niedrigerer Energiebedarf

• Niedrigere Außentemperatur

• Höheres Nutzvolumen

Bartz Maschinenbau

Bild Quelle Herpa

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 80

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 81

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 82

Aluminium -Schmelzöfen

• Z.B. Drehtrommelöfen, Gießöfen

• Herausforderung: Konstruktive Realisierungeines evakuierbaren Hohlraums

• Potential: Erhöhung der Energieeffizienz durch deutliche Reduzierung der Wärmeverluste

Hertwich

Steuler

Seco/Warwick

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 83

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

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 84

Rohrleitungen

• Wärmeträger: Dampf, Thermo-Öl, Luft

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

Alsa Group

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 85

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

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

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

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Labormessungen zur Wärmeleitfähigkeit von Perlit bei verschiedenen

Temperaturen, Schüttdichten und Vakuumdrücken

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 88

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

( )r

*

3

rr

Te 3

T 16

ρσ=λ

Spektrometermessung: Extinktion von Perlit

Mit Trübung

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 89© 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.

Wirtschaftlichkeit der VSI

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 90

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

0

10.000

20.000

30.000

40.000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Kos

ten

[€]

Zeit [Jahre]

• Zusätzliche Investitions-kosten: 17.750 €

• Jährliche Einsparung: 6.140 €

• Amortisationszeit:ca. 3 Jahre

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 91© 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.

Zusammenfassung und Ausblick

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Projektvorstellung „VSI-HTS“ © ZAE Bayern 92

• 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

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Dr. Thomas BeikircherMatthias Demharter, M.Sc.

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