Motivation
Neben der Senkung des Energiebedarfs durch Einsparungen sowie effizientere Verfahren und Anlagen ist die Flexibilisierung der Bedarfsseite ein wesentlicher Baustein der Transformation des Energiesystems mit dem Ziel einer vollständig erneuerbaren Versorgung. Eine zeitliche Entkopplung von Kälteerzeugung und Kältenutzung durch Kältespeicher ermöglicht die vorrangige Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom und reduziert bzw. vermeidet den Bedarf an (fossilen) Reservekapazitäten.
Eis ist aufgrund seiner Eigenschaften wie geringe Kosten, ökologische Unbedenklichkeit und hohe Energiedichte (Latentwärme) ein ideales Kältespeichermedium. Flüssigeis (Eisbrei) als pumpfähiges Stoffsystem von Wasser und Eiskristallen ist besonders flexibel und kann neben der Kältespeicherung auch zum Kältetransport/-verteilung sowie zur Wärmegewinnung aus Gewässern (Hydrothermie) eingesetzt werden.
Vakuumeis-Verfahren
Mit dem Vakuumeis-Verfahren wird (Flüssig-)Eis mit höchstmöglicher Effizienz erzeugt, indem das natürliche Kältemittel Wasser (R718) nahe Tripelpunktsbedingungen (0 °C, 6 mbar) verdampft (Abbildung 1). Die notwendige Verdampfungswärme wird nicht von außen zugeführt, sondern dem verbleibenden Wasser im Verdampfer entzogen bzw. durch das Gefrieren bereitgestellt. Bei Verdampfung von zwei Wassermolekülen gefrieren 15 andere Wassermoleküle zu Eis (Verhältnis von Verdampfungs- und Erstarrungsenthalpie 1:7,5), siehe auch Abbildung 1.
Für dieses Verfahren zur Erzeugung von pumpfähigem Eis ergeben sich vielfältige Anwendungen wie:
- Flexibilisierung industrieller Kälteanlagen mittels Kältespeicherung – wachsende Bedeutung der Energiespeicherung zur Integration hoher Anteile erneuerbarer Energien,
- Kältetransport mit hoher Energiedichte, kleineren Rohrquerschnitten und verringertem Pumpaufwand,
- Wärmeversorgung,
- „Heizen mit Eis“ - Eisspeicher als Wärmequelle für Wärmepumpen,
- Wärme-Kälte-Kopplung - erweiterte Anwendungsmöglichkeiten mit Flüssigeis als Kälteträger und –speicher,
- Hydrothermie – Gewässer als ganzjährig nutzbare Wärmequelle für Wärmepumpen.
Weiterführende Informationen zur Funktion und den Anwendungsmöglichkeiten sind hier zu finden.
Zielstellung
ILK Dresden hat Vakuumeis-Erzeuger auf Basis eines speziellen Wasserdampf-Turboverdichters mit einem Systemdurchmesser von 2 m entwickelt (1. Platz Deutscher Kältepreis 2016). Damit können Anlagen im Leistungsbereich 200…500 kW umgesetzt werden (Abbildung 2).
Eine Gebäudeintegration von derartig großen Vakuumeiserzeugern ist aber oft problematisch. Zudem besteht in vielen Fällen ein Bedarf an Eiserzeugern mit geringerer Leistung. Für Anwendungen kleiner 200 kW sind wiederum andere Verdichter erforderlich. Der Durchmesser des Verdichterlaufrades muss verkleinert und die Drehzahl erhöht werden. Dies führt zu einer effektiven Reduktion der Baugröße und ermöglicht eine einfachere Gebäudeintegration, insbesondere im Bestand.
Die Zielstellung des Teilprojektes besteht in der Entwicklung, dem Bau sowie der Demonstration eines Vakuum-Flüssigeiserzeugers mit einer Kälteleistung von 80 kW. Dies entspricht einer Eiserzeugungsleistung von 864 kg/h oder 20,7 t/d.
Stand der Arbeiten
Im bisherigen Projektverlauf wurden insbesondere die folgenden Ergebnisse erreicht:
- Aufbau und Inbetriebnahme eines Verdichterprüfstandes für den neuen Wasserdampfverdichter (Abbildung 3),
- Erprobung und Testläufe des neuen Wasserdampfverdichters im Prüfstand (Abbildung 4),
- Konzeption und Vergleich von Varianten zur Gestaltung des Eiserzeugers (Abbildung 5).
(Stand: 29.06.2023)
Veröffentlichungen
Publikationen folgen nach Abschluss der entsprechenden Arbeiten.
