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Prof. Dr.-Ing. Paul Kohlenbach Beuth Hochschule für Technik
Simulation und Energiespeicherung in der Kältetechnik
Vortrag im Fachforum Kälte Berliner Energietage
07.05.2018
2
1990
2050
2050
2008 -25%
Energiekonzept der Bundesregierung von 2010
-80% bis
-95%
2
3
1. Teil Simulation in der Kältetechnik
4 Effizienz von Kälteanlagen - statisch
Früher: l statische Betrachtung der Effizienz
= Leistungseffizienz = ε l Effizienz hängt u.a. ab von:
o Kältemittel (Dampfdruckkurve) o Bauart des Expansionsventils
4
Leistungseffizienz = NutzenAufwand
= KälteleistungAntriebsleistung
3
R-‐290
R-‐450
R-‐449A
R-‐404A
5,21
5,10
5,32
5,23
3,49
2,88
4,21
4,21
2,66
2,62
2,72
2,57
Quelle: Bitzer So.ware v6.6
Effizienzvergleich für verschiedene Kältemittel - statisch
Randbedingungen: l Elektronisches Expansionsventil l Verdampfertemperatur = -10°C = konstant l optimierte Verflüssigungstemperaturen:
6 ⋯ 18 °C
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Leistungseffizienz ε einer Kälteanlage im Auslegungspunkt
R-‐290
R-‐450
R-‐449A
R-‐404A
5,21
5,10
5,32
5,23
3,49
2,88
4,21
4,21
2,66
2,62
2,72
2,57
Quelle: Bitzer So.ware v6.6
Effizienzvergleich für verschiedene Kältemittel - statisch
Fazit: l Effizienzsteigerung durch sog.
„Winterregelung“: tages- und jahreszeitliche Anpassung der Verflüssigungs- an die Umgebungstemperatur
l ABER: Jahres-Effizienz liegt unterhalb des erreichbaren Maximums
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Leistungseffizienz ε einer Kälteanlage im Auslegungspunkt
4
7 Effizienz von Kälteanlagen - dynamisch
Heute: l dynamische Betrachtung der
Effizienz = Jahresarbeitszahl = JAZ
l Effizienz hängt u.a. ab von: o Kältemittel (Dampfdruckkurve) o Bauart des Expansionsventils o Kühltemperatur o Abtaumechanismus Verdampfer o Größe der
Wärmeübertragerflächen o Betriebsart der Ventilatoren
7
Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage
Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung
Thermost. EV, mittlere WÜ, elektr. Abtauung
Thermost. EV, große WÜ, elektr. Abtauung
Thermost. EV, große WÜ, elektr. Abtauung
Thermost. EV, große WÜ, Heissgas-Abtauung, drehz.ger. Verflüss.ventilator
Elektron. EV, große WÜ, Heissgas-Abtauung, drehz.ger. Verflüss.ventilator
Elektron. EV, große WÜ, Heissgas-Abtauung, drehz.ger. Verflüss.+Verd. ventilator
Quellen: [1, 2]
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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage
Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung
Fazit: Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik l Effizienz hängt von Anlagentechnologie
ab l erhebliche Minderungen möglich in
Jahrzehnten l Maßnahmen: in den meisten Fällen
wirtschaftlich
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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage
Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung
Fazit: Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik l Simulationen hängen stark von
Randbedingungen ab à unter anderen Bedingungen können erheblich abweichende Ergebnisse auftreten à der Betrieb jeder Kälte- und Klimaanlage sollte unter Energieeffizienz-Gesichtspunkten vorher simuliert werden
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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage
Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung
Fazit:
Energiekonzept der Bundesregierung 2010 l Emissions-Minderung um 80 – 95 % bis
2050 mit reiner kältetechnischer Optimierung unmöglich
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Dynamische Simulation einer Standard-Kälteanlage
Jahres-Energieverbrauch einer Kälteanlage mit zunehmender Anlagenoptimierung
Weitere Maßnahmen: l intelligente Nutzung fluktuierender
Energie à Einbindung erneuerbarer Energiequellen à Speicherung von Kälte (und Wärme)
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13
2. Teil Energiespeicherung in der Kältetechnik
14 Energiespeicherung in der Kältetechnik
Ausgangszustand (Referenz): - teilweise solar, teilweise netzbetriebener Kaltsoleerzeuger R-290 - tagsüber: überschüssiger PV-Strom nicht genutzt - nachts: reiner Netzbetrieb
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Variante 1 - Batteriespeicher: - solar, batterie- oder netzbetriebener Kaltsoleerzeuger R-290 - Batteriespeicher für Überschussenergie aus Photovoltaik - Elektrische Energie wird gespeichert (Gleichstrom)
Energiespeicherung in der Kältetechnik
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Variante 2 – Thermischer Speicher: - solar oder netzbetriebener Kaltsoleerzeuger R-290 - Phasenwechselspeicher (PCM) für Überschussenergie aus Photovoltaik - Thermische Energie wird gespeichert („Kälte“)
Energiespeicherung in der Kältetechnik
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Kälteanlage, reiner Netzbezug (Referenz)
Ergebnisse: Energiespeicherung in der Kältetechnik 17
Kälteanlage mit PV-Anlage, ohne Speicher
Kälteanlage mit PV-Anlage und Batteriespeicher
Kälteanlage mit PV-Anlage und PCM-Speicher
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Fazit: Einsatz nur der PV-Anlage l Reduktion des Bezugs von Netzstrom
um 32% l wirtschaftlich sehr interessant für PV-
Anlagen, die nach 2020 aus der EEG-Vergütung herausfallen
Einsatz zusätzlich von Energiespeichern l Reduktion des Bezugs von Netzstrom
um bis zu 59% l PCM wirtschaftlicher als Batterien
Ergebnisse: Energiespeicherung in der Kältetechnik
10
1. CoolTool Softwarepaket, CoolToolTechnology GmbH. 2. Schwarz, J. (2018). Persönliche Kommunikation. 3. Kohlenbach, P und Dunst, B. (2017). „Techno-ökonomische Analyse eines
Verbundsystems aus Photovoltaik-Anlage, R290-Kaltwassersatz und PCM-Kältespeicher“, Jahrestagung des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins (DKV), Bremen, 24.11.2017
4. http://www.tis-gdv.de/tis/tagungen/svt/svt10/weilhart/inhalt.htm. Zuletzt
abgerufen am 13.11.2017 5. Kohlenbach P. and Jakob U. (2014). “Solar Cooling - The Earthscan Expert
Guide to Solar Cooling Systems”, Routledge Chapman & Hall, 2014
Quellenangaben 19
20
Kontakt:
Tel. 030-4504-5322
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und Ihr
Interesse!
Diese Seite darf nicht entfernt werden. Für die in diesen Unterlagen bereit gestellten Informationen kann keine Haftung übernommen werden. Die Verantwortung für die Inhalte in diesem Vortrag, auch urheberrechtlicher Natur, liegen bei der Referentin/dem Referent. Bei Fragen oder Ansprüchen kontaktieren Sie diese bitte direkt. Eine kommerzielle Weiterverbreitung darf nur nach schriftlicher Genehmigung der Rechteinhaberin erfolgen. © 2018 Referent(in) / Veranstalter(in)
+ + + Die Leitveranstaltung der Energiewende in Deutschland fand in 2018 vom 07. bis zum 09. Mai im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt.
Weitere Informationen und viele Vortragsunterlagen zu über 350 Vorträgen aus 57 Veranstaltungen im Rahmen der Berliner ENERGIETAGE 2018 finden Sie unter
www.energietage.de
Ein Vortrag im Rahmen der