Messtechnische Untersuchung
Bild 2. Entwicklung von Rohrbündel-Latentwärmespeichern an der Hochschule Zittau/Görlitz (v. l.): Stützgestell mit Rohrbündel, Einzelspeicher mit Sensorik (ohne Dämmung), baugleiche wärmegedämmte Speicher (Reihenschaltung) auf der Wärmespeichertestanlage (Quelle: Hochschule Zittau)
Bild 3. Typische zeitliche Verläufe der Temperaturen und wichtiger Kenngrößen bei der wärmetechnischen Untersuchung von Latentwärmespeichern; rechts: fiktives „Typenschild“ (Quelle: Hochschule Zittau)
Die Prüfung und Bewertung von Wärmespeichern lässt sich nur durch Untersuchung auf geeigneten Prüfständen wie der Wärmespeichertestanlage im Zittauer Kraftwerkslabor der Hochschule Zittau/Görlitz realisieren. Zur Durchführung und Auswertung entsprechender Messungen enthält die DIN 2384 allgemeine Hinweise.
An der Hochschule Zittau/Görlitz werden seit vielen Jahren Latentwärmespeicher entwickelt, ausgelegt, messtechnisch validiert und unter Praxisbedingungen erprobt. Bild 2 zeigt Rohrbündel-Latentwärmespeicher, die für die Speicherung von Abwärme aus einem Holzgas-Blockheizkraftwerk eingesetzt werden. Beide Speicher arbeiten bei einer Schmelztemperatur von 70 °C mit unterschiedlichen Speichermedien (Paraffin, Salzhydrat). Der theoretische Wärmeinhalt je Speicher liegt bei rd. 50 kWh.
Bild 3 zeigt exemplarisch den zeitlichen Verlauf ausgewählter Kenngrößen bei der indirekten Beladung eines Rohrbündel-Latentwärmespeichers im Zittauer Kraftwerkslabor, der für ein anderes Forschungs- und Entwicklungsprojekt entwickelt wurde. Bei konstanter Vorlauftemperatur des Wärmeträgers Wasser von 85 °C stellt sich nach 1,5 h für die Dauer von etwa 2 h eine konstante Rücklauftemperatur von rd. 80 °C ein. Der Phasenwechsel des Speichermediums ist bei rd. 64 °C (ATP64) zu erkennen. Dabei offenbaren sich die Vor- und Nachteile dieser Speichertechnologie: Die Momentanleistung des Speichers liegt über diese 2 h nahezu konstant bei rd. 8 kW, ist damit jedoch relativ gering.
Für diese konkrete Messung im Arbeitstemperaturbereich zwischen 45 und 80 °C lassen sich – wie in DIN 2384 angegeben – aus der Enthalpiestromänderung des Wärmeträgers die zeitliche Verteilung der Momentanleistung des Speichers zwischen 5 und 20 kW und daraus mit den bekannten Zeitintervallen ein kumulativ nutzbarer Wärmeinhalt von 42 kWh bestimmen. Aus diesen Werten sind dann weitere Kenngrößen (siehe fiktives Typenschild) berechenbar.
Das Ziel der Normungsaktivitäten besteht darin, in ähnlicher Art und Weise – vermutlich ohne gravierte Typenschilder – eine zuverlässige Vergleichbarkeit unterschiedlicher Wärmespeicher und verlässliche Parameter für deren Systemintegration bereitzustellen.
Nächster Schritt
Die Hochschule Zittau/Görlitz ist Teil eines deutschlandweiten Projektkonsortiums, das sich ab Mitte 2021 im Rahmen eines durch das Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekts mit der Bestimmung von Vergleichskennzahlen für thermische Energiespeicher (VKTES) beschäftigen wird. Das Ziel des Projekts besteht darin, aufbauend u. a. auf der DIN 2384 geeignete Vergleichskennzahlen für thermische Energiespeicher abzuleiten, diese durch eine Vielzahl von Messungen an unterschiedlichsten Wärme- und Kältespeichern bei den Projektpartnern zu validieren und schließlich unter Federführung des VDI in Form einer Richtlinie zu
dokumentieren.
Förderhinweis
Die hier beschriebenen Arbeiten im Bereich der Entwicklung von Wärmespeichern an der Hochschule Zittau/Görlitz werden gefördert durch die Sächsische Aufbaubank aus Mitteln des Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Ausschreibung FH-Impuls.
Literatur
[1] DIN 2384:2020-10, Thermische Energiespeicher – Terminologie, Anforderungen, Kenngrößen, Prüfgrundlagen.
Prof. Dr.-Ing. Jens Meinert, Fachgebiet Technische Thermodynamik, Fakultät Maschinenwesen, Hochschule Zittau/Görlitz, Zittau, Obmann des DIN-Normenausschusses NA 082-00-20 AA Thermische Energiespeicher für gewerbliche bzw. industrielle Anwendungen, j.meinert@hszg.de, www.hszg.de