Thermischer Energiespeicher SolarEis - die Zukunft der Energiespeicherung

Wärme, die aus der Kälte kommt Sonne, Erde, Lu6 und Wärmepumpe – Eisspeicher als Primärquellenpuffer Energie-‐Technik Plamenig

Isocal Generalvertretung Schweiz &

Liechtenstein

Stöckackerstr. 30

4142 Münchenstein www.isocal.ch

2006 Beginn der innovaDven und konstrukDven Entwicklung des SolarEis-‐Speichers in Verbindung mit einer gasbetriebenen Wärmepumpe

2007  Entwicklung eines geräuschlosen Dachabsorbers als mulDfunkDonale Wärmequelle und Wärme-‐senke; Patent auf das System der Wärmetauscher-‐ anordnung beim SolarEis-‐Speicher

2008  FerDgstellung aller Komponenten Namensschutz für "isocal" und "SolarEis“

2009  Entwicklung der Steuerungstechnik; Aufnahme Projektgeschä] SEi; DefiniDon und Entwicklung Standardprodukt SE 12

2010  Generalvertretung Schweiz & Liechtenstein Serienreife SE 12 KooperaDon Viessmann/KWT

2011  Lieferprogramm SE 12 6, 8, 10 bis 20kW , Serienreife SolarLu]-‐Kollektor, Ausbau Projektgeschä] und Solare KlimaDsierung

2012  Groß-‐Projekte EBV Hamburg Tilemannhöhe, Evonik Köln-‐Porz, Ecolab Langenfeld, D´dorf Heerdt Viessmann wird Hauptgesellscha6er

Isocal HeizKühlsysteme GmbH

isocal HeizKühlsysteme GmbH Donaustraße 12 D-‐88046 Friedrichshafen www.isocal.de

Wie kann man die Wärme des Sommers für den nächsten Winter nutzen -‐ und umgekehrt?

Wie kann man die Wärme des Tages für die nächste Nacht nutzen -‐ und umgekehrt?

Wie kann man die Wärme und Kälte einer Wärmepumpe gleichermaßen nutzen?

Indem man Wärme und Kälte speichert!

Bessere Fragen liefern bessere Antworten

Wie kann man die Wärme des Sommers für den nächsten Winter nutzen -‐ und umgekehrt?

Wie kann man die Wärme des Tages für die nächste Nacht nutzen -‐ und umgekehrt?

Wie kann man die Wärme und Kälte einer Wärmepumpe gleichermaßen nutzen?

In der Physik gibt es nur Wärme, alles oberhalb

-‐ 273,15 °C ist im physikalischen Sinne „warm“.

Bessere Fragen liefern bessere Antworten

Während andere Speicherkonzepte Wärme auf hohem Temperaturniveau speichern, geht SolarEis einen anderen Weg:

SolarEis speichert Wärme verluslrei auf niedrigem Temperaturniveau.

In einem unterirdisch eingebrachten Speicher.

Sicher, wirtscha6lich und umwelIreundlich.

Fünf regeneraLve Energiequellen im opLmalen Zusammenspiel

Komponenten des SolarEis-‐Systems

SolarLu6-‐Kollektor Er nimmt die Wärme der Sonne und der erwärmten Umgebungslu] auf -‐ auch bei Bewölkung oder diffuser Strahlung. Sein Energieertrag ist somit höher als der klassischer Solaranlagen. Überschüsse im Sommer werden im SolarEis-‐Speicher eingelagert.

SolarLu]-‐Kollektor

OpLmale Nutzung von Solarer Energie und Umgebungswärme

Während der SolarLu]-‐Kollektor in der Horizontalen die Solare Energie aufnimmt, bietet der Kollektor in der VerDkalen eine große Fläche zur Aufnahme der in der Umgebungslu] enthaltenen Energie – auch dann, wenn die Sonne nicht scheint.


SolarEis-‐Speicher In der warmen Jahreszeit werden hier überschüssige Sonnenenergie und Wärme aus der Umgebungslu] auf niedrigem Temperaturniveau gespeichert. Die umgebende Erdwärme ermöglicht die Speicherung über längere Zeit und ohne Isolierung. Mit Beginn der kalten Jahreszeit wird die Wärme dem Speicher entzogen und über die Wärmepumpe dem Warmwasserspeicher und dem Heizsystem zugeführt. Beim kontrollierten Phasenübergang von Wasser zu Eis werden große Mengen an KristallisaDonsenergie freigesetzt. Das Eis steht nun zur kostenlosen Kühlung zur Verfügung.

SolarEis-‐Speicher unterhalb Frostgrenze (ca. 1 m)

Wärmepumpe Sie entzieht dem unterirdischen SolarEis-‐Speicher Wärme und führt sie dem Warmwasserspeicher und dem Heizsystem zu. GleichzeiDg versorgt sie die Räume mit Wärme.



Sole/Wasser-‐Wärmepumpe elektronisches ExpansionsvenDl soleseiDg bis -‐10 °C Vorlau]emperatur

Steuerung „Energiequellenmanagement“

SolarEis-‐Steuerung Sie dirigiert das Gesamtsystem und entscheidet, wann der SolarLu]-‐Kollektor Wärme in den SolarEis-‐Speicher einspeist oder ob die zur Verfügung stehende Energie direkt über die Wärmepumpe an das Gebäude abgegeben werden soll.



Sole/Wasser-‐Wärmepumpe elektronisches ExpansionsvenDl soleseiDg bis -‐10 °C Vorlau]emperatur

Das SolarEis-‐System strebt eine hohe Primärquellentemperatur an, diese wird durch das ständige Laden des Speichers mit Erdwärme, Umgebungswärme und solarer Energie gewährleistet.

Die KristallisaDonswärme wird nur in folgenden Fällen genutzt:

•  Die regeneraDven Wärmemengen aus Erde, Lu] und Sonne reichen nicht aus und das System muss seine Reserven nutzen.

•  Das beim Phasenwechsel entstehende Eis soll später zur Kühlung genutzt werden.

SolarEis -‐ Heizen mit Eis

Intelligentes Wärmequellenmanagement macht den Unterschied

20

25

30

35

40

45

50

55

20 15 10 5 0 -5 -10 -15

Hei

zsys

tem

tem

pera

tur i

n °C

Außentemperatur in °C

22 % 35 %

21 % 9 % 6 % 7 %

erforderliche

Heizleistun

g in kW

10

5

2

Heizleistung

Vorlau6emperatur

Mehr als 65 % des Jahresenergie-‐bedarfs werden durch Umgebungs-‐wärme und solare Energie über das Wärmequellenmanagement direkt abgedeckt.

Wärmeentzug durch patenLertes Verfahren

Eis ist ein guter Isolator und verhindert bei zunehmender Dicke den weiteren Entzug von Wärme.

Entgegen Plawenwärmetauschern mit konstanter Oberfläche bildet sich um das Wärmetauscherrohr ein Eiszylinder, der somit die Oberfläche vergrößert.

Die größere Oberfläche gleicht den schlechteren Wärmedurchgang des Eises aus und stellt den konstanten Wärmeentzug sicher.

0 °C Wasser und 0 °C Eis. EnergeLsch ein Unterschied wie Tag und Nacht

SolarEis – Leistungsprofil SE 12

Invest Heizung Betriebskosten Heizen 15 Jahre

InvesLLons-‐ und Betriebskosten in 15 Jahren

15.000 €

30.000 €

45.000 €

60.000 €

Ölbrennw

ertke

ssel

Gasbren

nwert

kesse

l

Pelletsh

eizun

g

Luft-W

ärmep

umpe

Sole-W

P Erdsond

e

Sole-W

P Eisspeic

her

9.031 €10.532 €13.456 €

34.681 €

29.214 €

40.487 €

23.400 €22.500 €19.500 €19.900 €

11.470 €15.580 €

Investitions- und Betriebskosten in 15 Jahren

20.000 €

40.000 €

60.000 €

80.000 €

Ölbrennw

ertke

ssel

Gasbren

nwert

kesse

l

Pelletsh

eizun

g

Luft-W

ärmep

umpe

Sole-W

P Erdsond

e

Sole-W

P Eisspeic

her

100 €100 €

6.007 €

6.007 €

6.007 €

6.007 €

9.031 €10.532 €

13.456 €

34.681 €

29.214 €

40.487 €

2.750 €2.750 €9.900 €9.900 €

9.900 €

9.900 €

23.400 €22.500 €19.500 €19.900 €

11.470 €15.580 €

Investitions- und Betriebskosten in 15 Jahren

Invest Kühlung Betriebskosten Heizen 15 Jahre Betriebskosten Kühlung 15 Jahre Invest Heizung

InvesLLons-‐ und Betriebskosten in 15 Jahren

Kostenbeispiel UMBAU / SANIERUNG

Projekt Maisprach, BL -‐ Komplewe Heizungssanierung, Gebäude (1912) steht unter Denkmalschutz •  SE-‐12 10kW Heizlast, 3 SLK-‐F, SolarEis Steuereinheit XL


SolarEis CHF

SolarEis System 10kW, inkl. SLK-‐F, Steuereinheit XL

18‘500

Anschluss SolarEis-‐Speicher, SLK-‐F an WP

7‘500

Elektrische Arbeiten WP & SolarEis-‐System

6‘500

Zwischentotal 32‘500

SolarEis CHF

Wärmeerzeugung 22‘500

TWW / BWW 2‘500

Wärmeverteilung 15‘500

Durchbruch 1‘000

Gartenarbeiten / Aushub

12‘500

TOTAL 86‘500

SubvenLon Amt für Umwelt & Energie BL

6‘000 CHF

TOTAL 80‘500 CHF


Erdsonde CHF

Erdsonden & Zubehör

32‘500

Zwischentotal 32‘500

Erdsonde CHF

Wärmeerzeugung 22‘000

Wärmeverteilung, inkl. Elektrische Arbeiten, Transport & Montage

20‘000

TOTAL 74‘500

TOTAL SolarEis 80‘500 CHF

Differenz SolarEis VS Erdsonde im UMBAU

6‘000 CHF


SolarEis CHF


18‘500


7‘500

Gartenarbeiten / Aushub

12‘500

TOTAL 38‘500


6‘000 CHF


Erdsonde CHF


32‘500

TOTAL 32‘500

Gleicher Preis der beiden Systeme im UMBAU / SANIERUNG Bereich

Kostenbeispiel NEUBAU SolarEis CHF


18‘500


7‘500

TOTAL 26‘000


6‘000 CHF


Erdsonde CHF


32‘500

TOTAL 32‘500

SolarEis System 12‘500 CHF günsLger im NEUBAU

EinsparpotenDal Bsp. an Hand 10 kW SolarEis System ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP

•  18‘000 kWh / Jahr ≈ 1‘500 kg Heizöl ≈ 1‘800 Liter •  Kosten vor Einsatz SolarEis ≈ 1‘890 CHF / Jahr

Nach Einsatz einer Wärmepumpe (JAZ 4.0) •  4‘500 kWh / Jahr Antriebsenergie WP ≈ 450 CHF

Nach Einsatz einer WP in Komb. mit SolarEis-‐System (JAZ 5.0) •  3‘600 kWh / Jahr Antriebsenergie WP ≈ 360 CHF

EinsparpotenDal

Bsp. an Hand 10 kW SolarEis System ausgelegt auf 1‘800 Betriebsstunden der WP Einsparung pro Jahr: 1‘530 CHF

Energiekostenentwicklung

0

5

10

15

20

25

30

"PrognosLzierte Preisentwicklung Heizöl"

"PrognosDzierte Preisentwicklung Heizöl"

SE-‐12 zu SEi SolarEis SE-‐12 SolarEis SEi

•  Paket-‐Lösung für Heizlasten von 6, 8, 10 kW mit einem SolarEis Speicher – und 12, 14, 16, 18 und 20 kW Heizlast mit 2 SolarEis Speichern geschalten in Kaskade

•  Lieferumfang: SolarEis Speicher 12m3, SolarLu]-‐Kollektoren S, SolarEis-‐Steuereinheit L / XL

•  Einsatzbereiche: EFH / MFH •  Voraussetzung: Sole/Wasser

Wärmepumpe •  Ausgelegt auf 1‘800

Betriebsstunden der WP

•  Für Heizlasten grösser als 20 kW •  Betonspeicher wird bauseiDg

vor Ort gebaut •  SolarEis Speicher kann mit

diversen anderen Systemen kombiniert werden

•  Lieferumfang: nach Kundenwunsch individuell

•  Einsatzbereiche: Industrie, Gewerbe, Hotels, Spitäler, nahe Kaltewärmeverbundsnetze

•  Nach Kundenwunsch konfigurierbar

SolarEis im Stadtarchiv Stumgart

SolarEis im Stadtarchiv Stumgart

•  Wasserschutzgebiet

•  Hohe Anforderungen an Wirtscha]-‐ lichkeit, Umweltverträglichkeit und Sicherheit

•  2 Gasbrennwertkessel mit 250 und 300 kW Leistung

•  4 GasabsorpDonswärmepumpen mit je 40 kW

•  Speichervolumen 400.000 Liter

Neubau, gewerbliche Nutzung (50 W/qm), miwleres Klima, 2.000 Vollbenutzungsstunden, benöDgte Jahresheizenergie 80 kW, 160.000 kWh Speichervolumen: 409 m3 Kosten für Wärmetauscher: ca. 39.800 Euro / 47‘760 Fr. Kosten für RegeneraDon: ca. 15.300 Euro / 18‘360 Fr. Kosten für Speicher: ca. 37.000 Euro / 44‘400 Fr. Jährliche Heizkosten: ca. 7.200 Euro / 8‘640 Fr. Kostenlos zur Verfügung stehende Kühlleistung: 25.800 kWh/a Diese Kühlleistung muss in anderen System für 4.644 Euro / 5‘572.80 Fr. eingekau] werden (zzgl. Aggregate)

InvesLLons-‐ und Betriebskosten Gewerbeobjekt

6%11%

28%

9%

46%

Q_amb (Sonne+Lu])

Q_latent

Q_sens (25/0)

Q_Erde

Q_Fremdwärme

Au]eilung der Entzugsenergie

Aktuelle Projekte

KlimaschutzsiedlungKöln-Porz

Die Zukun6

Nah-‐Kaltwärmenetze mit SolarEis-‐Primärenergiespeicher

Lage Ihrer Gemeinde

Das Nahwärmenetz mit SolarEis-‐Primärenergiespeicher an einem Projektbeispiel

Das Versorgungsprinzip

Anbindung an das Nahwärmenetz

(Eisspeicher)

Das Leitungssystem – die Verlegung

Das Leitungssystem – die Qualität

Faserverbundrohre

PE-HD 100 – Rohre und Formteile

Entscheidende Preistreiber bei der Fernwärmeversorgung sind die hohen Kosten für die Leitungsrohre, z.B.: PE100 Wasserrohr ca. 40 €/m DN 200 vs. Kunststoffmantelrohr isol iert für Fernwärmeleitungen ca. 220 €/m DN 200. Hinzu kommt der durch den Transport entstehende Wärmeverlust, der laut AGFW bei bundesweit durch-‐schniwlich 12% liegt.


Umgebungstemperatur Erdreich Sommer = +13°C Winter = + 3°C

•  durch angepasste Systemtemperaturen kein Wärmeverlust der Transportleitung •  Winterbetrieb – Wärmegewinn durch Temperatur-‐Unterschied zwischen Erdreich und Medium


Einspeisung von Stromüberkapazitäten aus: •  Kra]werk •  Wasserkra] •  Photovoltaik •  Windkra]

Das Versorgungsprinzip Der grundsätzliche Vorteil bei dem Transport der Wärme auf einem niedrigerem Temperaturniveau als dem der Umgebung ist, dass auf dem Weg zum Energ ieverbraucher zusätzliche Wärmegewinne ent-‐stehen. Das Kaltwärmenetz übernimmt damit die FunkDon eines Erdkollektors. Entscheidend für diese Überlegung sind die Temperatur im Boden und die der Transportleitung. Wärme strömt immer von dem System niedrigerer Temperatur zu dem System höherer Temperatur.

Leistungsbereich der Wärmepumpe

Zusammenfassung

Das vorliegende Konzept, zeigt die Machbarkeit eines Primärspeichersystems mit hieran angebundener Versorgung der Liegenscha]en, über ein kaltgehendes Nahwärmenetz. Das vorgestellte System stellt eine AlternaDve zu den bisher bekannten, warmgehenden Nahwärmenetzen dar. Bedingt durch die niedrigen Systemtemperaturen können lokale Wärmequellen erschlossen und in das System eingebunden werden. Abwärme auf niedrigem Temperaturniveau kann nutzbar gemacht werden und in das System eingebunden werden (Abwasser). Ziel ist ein Wärmetransport auf einem niedrigen Temperaturniveau. Die im Erdreich verlegten Rohrleitungen sind nicht isoliert und können über das Erdreich im Jahresdurchschniw Wärmegewinne erzielen.

Zusammenfassung

Das Kaltwärmenetz stellt eine Form des Erdkollektors dar. Dezentral installierte Wärmepumpen erzeugen die gewünschten Temperaturen für die Wärme-‐ und Warmwasserversorgung, in den angeschlossenen Gebäuden. Das Kaltwärmenetz dient hierbei als Wärmquelle und stellt die Primärenergie zur Verfügung. Jeder Nutzer hat aufgrund seiner GebäudecharakterisDk, die Möglichkeit den Energiebezug und die notwendige Heiztemperatur selbst zu besDmmen. Der Nutzer hat die Möglichkeit, vorhandene Wärmequellen z.B. Solarkollektoren mit dem Wärmpumpensystem effizient zu verknüpfen.

Zusammenfassung

Die ProdukDon von Wärme und die Einspeisung kann über ein Tarifmodel vergütet werden. Hierdurch lassen sich die Primärkosten senken und der Wärmemengenpreis sinkt. Als Wärmequellen und Wärmeerzeuger lassen sich auch Stromüberkapazitäten (Smart Grid) einbinden. Abwärme aus Windenergieanlagen, Wechselrichter von PV-‐Anlagen, AbsorpDons-‐ und Kompressionskältemaschine kann nutzbar gemacht werden. Das Netz ist fast beliebig erweiterbar, der örtliche Ausstoß von Schadstoffen wird deutlich gemindert.

Referenzen

Nah-‐Kaltwärmenetze mit SolarEis-‐Primärenergiespeicher –

Bereits realisierte Bauvorhaben / Projekte

1.586.000 Liter Wasservolumen 19 Meter Durchmesser, 6 Meter lichte Höhe Versorgung von 466 Bestandswohnungen

Wirtscha6lichkeit und NachhalLgkeit

Ergebnisse

Der CO2-‐Austoß kann um 78 Prozent verringert werden – ohne zusätzliche Maßnahmen an der Gebäudehülle.

1.511 to/a

Heute 1 2 3 4 5

6 7 8 9 10 11 12

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20 21 22 23 24 25 26

27 28 29 30 31

336 to/a

CO2 Vermeidung

1.100.000 Euro / 466 WE = 2.360 Euro/WE Das entspricht den Kosten für eine Lü]ungsanlage

Förderung: 50 Prozent durch die Stadt Hamburg und KfW

MehrgeneraLonen-‐Wohnen und Mehrfamilienhäuser zur Miete

Etwa 50 m vom Rhein und ca. 10 km von der Kölner Innenstadt enlernt ist innerhalb einer großzügigen Parkanlage, auf einer Fläche von 8.000 m² ein überschaubares WohnquarDer entstanden.

•  4 einzelne Baukörper •  4-geschossig + Staffelgeschoss •  112 Wohnungen = 7.650 m² beheizte Fläche •  Wohnungsgrößen von 46m² bis 116m² •  jedes Haus hat eine Wärmepumpe •  jedes Haus hat Flachdach – Solar-Absorber •  ein gemeinsamer Eisspeicher

Leistung Heizen: Heizbedarf: 26,1 kW/m² Heizlast: 19,0 W/m² Jahreszahl Wärmepumpe: 5,6 CO²-Wert: 7,5 kg/m²a

Solar-‐ Eisspeicher: Länge Breite Höhe 19,00 m 14,00 m 4,50 m Volumen: 1.197,00 m³ Wärmetauscher: 9.000,00 m

MehrgeneraLonen-‐Wohnen und Mehrfamilienhäuser zur Miete

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Energie-‐Technik Plamenig

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Liechtenstein

Stöckackerstr. 30

4142 Münchenstein www.isocal.ch

Thermischer Energiespeicher SolarEis - die Zukunft der Energiespeicherung

Technology

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