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Schichtenspeicher: Dynamisches Entnahmesystem steigert Wirkungsgrad

Der Herausforderung den Wirkungsgrad von Schichtspeichern mit einer Entnahmevorrichtung zu steigern, stellte sich der Student Jonas Scheumann. Aus der Idee erwuchs eine erstzunehmende Konkurrenz für die inzwischen in die Jahre gekommenen Mehrwege-Mischverteiler. Für die innovative Entwicklung eines dynamischen Entnahmesystems in Schichtenspeichern wird Jonas Scheumann nun der PERPETUUM 2019 Energieeffizienz-Nachwuchspreis verliehen.

Beim Schichtenspeicher mit dynamischer Entnahme kann trotz fast gänzlicher Leerung noch Brauchwasser mit bis zu 65 °C entnommen werden. Eine lauwarme Temperaturschicht existiert nicht mehr. (Grafik: Jonas Scheumann)

Beim Schichtenspeicher mit dynamischer Entnahme kann trotz fast gänzlicher Leerung noch Brauchwasser mit bis zu 65 °C entnommen werden. Eine lauwarme Temperaturschicht existiert nicht mehr. (Grafik: Jonas Scheumann)

Unter dem Wettbewerbsthema „Das Beste aus aller Welt“ wurden beim PERPETUUM 2019 Energieeffizienzpreis Energieeffizienzlösungen gesucht, die weltweit ihresgleichen suchen. Im Rennen um den PERPETUUM 2019 Energieeffizienz-Nachwuchspreis hat sich ein Student der Fachhochschule Aachen, Jonas Scheumann, durchgesetzt.

Mit einer dynamischen Entnahmevorrichtung für Wärmespeicher in Unternehmen und Wohngebäuden wird ihm am 9. April bei der Jahresauftaktkonferenz der Deutschen Unternehmensinitiative Energieeffizienz e. V. (DENEFF) in Berlin der 1. Preis verliehen. Scheumanns innovative Lösung ermöglicht die temperaturgenaue Entnahme von Warmwasser. So wird unnötiges Aufheizen verhindert und viel Energie eingespart.

Stand der Technik: Mit Mischer und Stutzen temperaturdiskret ein- und ausspeichern

Um Erzeugung und Verbrauch zeitlich voneinander zu entkoppeln, werden Pufferspeicher eingesetzt. In den neunziger Jahren boomte die Entwicklung immer besserer Schichtenspeicher, in denen warmes Fluid temperaturdiskret von oben nach unten geschichtet wird. Die Qualität der Speicher zeichnet sich durch eine möglichst störungsfreie Schicht aus. Hierbei ist es wichtig, das einströmende Trägermedium zu beruhigen und Wirbel im Speicher zu vermeiden.

Um ein noch besseres Ergebnis zu erzielen geht man inzwischen sogar her und stattet die Schichtspeicher mit Ladeeinrichtungen wie z. B. Ladelanzen aus. Sie dienen der direkten Leitung des Wärmeträgermediums in die Höhe, in der die gleiche Dichte und somit Temperatur vorherrscht. So ist es unter anderem möglich auch bei geringem Ertrag noch Energie von einer solarthermischen Anlage in den Speicher zu bringen.

Doch wer temperaturdiskret einspeichert, möchte vielleicht auch entsprechend ausspeichern? Schon viele Speicher-Anbieter sind auf diese Idee gekommen. So verfügen klassische Schichtspeicher heutzutage über mehrere Stutzen zur Entnahme von Speichermedium in unterschiedlichen Höhen. Über Mehrwege-Mischverteiler wird dann die vom Heizungssystem angeforderte Temperatur bereitgestellt. Dabei ist der Mehrwege-Mischer so ausgelegt, dass möglichst wenig Medium mit hoher Temperatur aus dem Speicher entnommen wird.

Dynamisierung der Entnahmehöhe ermöglicht genaues Abtragen lauwarmer Schichten

Aber die Mischer sind begrenzt, die Anzahl der Stutzen im Speicher beeinflusst maßgeblich den praktischen Nutzen. Besser wäre, man stünde direkt mit dem Wärmeträgermedium im Speicher in Kontakt und könnte dynamisch die Entnahmehöhe anpassen. Dies ermöglicht die innovative, dynamische Entnahmevorrichtung von Jonas Scheumann.

Diese steht im Inneren des Speichers, eine spiralförmige Öffnung ermöglicht der Vorrichtung eine Anpassung der Entnahmehöhe. Von außen erfolgt die Anforderung der Entnahmetemperatur. Ein Motor stellt die optimale Höhe ein. Wird die angeforderte Temperatur unterschritten, stellt der Motor die Entnahmehöhe nach und beeinflusst so, aus welcher Höhe die Temperatur entnommen wird.

Ist eine Mischschicht mit exakt der Wunschtemperatur vollständig aufgezehrt, wird die nächstwärmere Schicht mit minimal kühlerem Speichermedium gemeinsam entnommen und so die lauwarmen Schichten Zentimeter um Zentimeter abgetragen. Ist das Temperaturniveau so gering, dass die angeforderte Temperatur nicht mehr entnommen werden kann, ist der Speicher leer.

Das Schöne: Immer wenn Medium mit geringfügig geringerer Temperatur als der maximal verfügbaren Temperatur entnommen wird, wird automatische lauwarmes Wasser entnommen. Deshalb kann am Ende der Entnahme davon ausgegangen werden, dass sämtliche zur Verfügung gestandene Temperatur maximal ausgenutzt wurde.

Niedertemperatursysteme können auf vollständige Temperaturspreizung zurückgreifen

Wird der Speicher jetzt wieder nachgeheizt, ist ausgeschlossen, dass lauwarmes Wasser nachgeheizt werden muss, da dieses nicht mehr vorhanden ist. Das Speichervolumen wird vollständig ausgenutzt. Auch eine energieintensive Nachheizung des Mediums bei hohem Temperaturbedarf entfällt bis zur vollständigen Entladung.

Wird der nun vollständig entladene Speicher nachgeheizt, können die Wärmeerzeuger, wie z.B. Brennwertgerät, solarthermische Anlage oder Wärmepumpe auf die vollständige Temperaturspreizung zurückgreifen. Der Wärmeaustausch, und damit die Ausnutzung der eingesetzten Energie (Primärenergie) geht deutlich besser von statten.

Nicht nur kann die Ausnutzung des Temperaturniveaus (exergetische Ausnutzung) deutlich gesteigert werden. Insbesondere die Anzahl der nötigen Ladezyklen lässt sich durch das System deutlich reduzieren. So ergibt sich beim Betrieb eines BHKWs mit angeschlossenem Schichtspeicher samt Entnahmevorrichtung eine deutlich längere Betriebszeit bis der Speicher vollständig geladen ist. Die Effizienz kann bildhaft mit der Langstreckenfahrt eines Autos gegenüber der permanenten Kurzstrecken-Fahrt mit den althergebrachten Systemen verglichen werden.

Die Entnahmevorrichtung befindet sich noch in der Entwicklung. Zwar konnten bereits die Jurys der Nationale Top-Runner-Initiative (NTRI) des BMWi und die des Perpetuum Nachwuchspreis 2019 der DENEFF überzeugt werden, jedoch ist die Konstruktion noch nicht über den Prototypenstatus hinaus. Nach dem die Vorentwicklung an der FH Aachen unter Herrn Prof.-Dr.-Ing. Groß, vorangetrieben durch den Studenten Jonas Scheumann, form angenommen hat, fehlt es zum fertigen Produkt noch an der Anschlussfinanzierung.

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"Schichtenspeicher: Dynamisches Entnahmesystem steigert Wirkungsgrad" wurde am 07.04.2019 verfasst