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2011-03

Solarthermie

Abbildung 1: Thermografieaufnahme eines konventionell gedämmten Speichers Quelle: FH Burgenland, Studienzentrum Pinkafeld

Thermische Energiespeicher sind ein wichtiger Bestandteil bei der breiten Nutzung erneuerbarer Energieträger und tragen zur Verbesserung der Energieeffizienz beim Ausgleich von Last- und Angebotsspitzen bei. Durch die Verwendung einer Vakuumdämmung wird einerseits die thermische Verlustleistung erheblich reduziert und andererseits die Energieeffizienz aller Umsetzungsverfahren gesteigert. Derzeit stellen Wasserspeicher mit einer Dämmstärke von 5 bis 10 cm den Standard bei Energiespeichern (Brauchwasserspeicher und Pufferspeicher bis 1000 l) dar.

Theoretische Untersuchungen zur Entwicklung einer Vakuumdämmung für thermische Energiespeicher

Von Florian Altenburger, Christian Fink und Robert Hausner *

Neben verbesserten konventionellen Dämmmaterialien, größeren Dämmstärken und verbesserter Verarbeitungsqualität bieten Vakuumisolationen eine weitere Möglichkeit die thermischen Verluste zu vermindern. In dem Projekt „Thermostank“, welches der österreichische Klima- und Energiefonds (Förderprogramm Neue Energien 2020) finanziert, wird der Einsatz von Vakuumisolationen und dessen Auswirkungen auf das Gesamtsystem untersucht. Das Projektteam bilden AEE – Institut für nachhaltige Technologien, Joanneum Research und Pink Speichertechnik Gmbh.
Zielsetzung des gegenständlichen Projektes ist die Minimierung der thermischen Verlustleistung im Vergleich zu konventionellen Dämmmaterialien um den Faktor 10. Unter Verwendung einer Vakuumdämmung soll dieses Ziel bei einem Druckniveau von etwa 10 mbar erreicht werden. Um die Wärmeleitfähigkeit von Vakuum mit konventionellen Dämmmaterialien vergleichen zu können, galt es die thermische Verlustleistung eines Speichers mit Vakuumdämmung in eine Wärmeleitfähigkeit für Vakuum überzuführen. Speziell wird der Einsatz in Verbindung mit einem solaren Kombisystem (Warmwasserbereitung und Raumheizung) detailliert untersucht.

Wärmetransport im Vakuum

Im Allgemeinen werden die thermischen Eigenschaften im Vakuum vom Strahlungsaustausch zwischen den umgebenden Flächen, der Festkörperwärmeleitfähigkeit und der Gaskonvektion bestimmt. Im Vakuum können grundsätzlich drei verschiedene Möglichkeiten zur Minimierung der thermischen Verluste verfolgt werden.

• Reines Vakuum
• Strahlungsfolien
• Schüttmaterial

Bei reinem Vakuum werden die thermischen Verluste durch den Strahlungsaustausch bestimmt und durch einen geringen Anteil an Gaskonvektion. Verwendet man hingegen Strahlungsfolien, findet beinahe kein Strahlungsaustausch mehr statt, während die Gaskonvektion immer noch geringfügige Verluste verursacht. Wird ein Schüttmaterial verwendet, können nahezu alle drei Mechanismen des Wärmetransports vollständig unterbunden werden. Ein besonderes Augenmerk ist in diesem Fall auf die Festkörperwärmeleitfähigkeit zu legen, welche je nach Material variieren kann.
Für die Untersuchungen der Wärmeleitfähigkeit im Vakuum wird bei den drei möglichen Ausführungen das Druckniveau von 10^-4 bis 10³ mbar variiert, um einen geeigneten Einsatzbereich der Materialien zu erhalten (Abbildung 2).
Werden keine Strahlungsfolien verwendet, ist ein kleinerer λ-Wert als 0,009 W/mK nicht zu erreichen ( λ-Wert Weichschaum bspw. 0,035 W/mK), was sich durch den bestehenden Strahlungsaustausch erklären lässt. Erst durch das Hinzufügen von Folien kann ein gravierender Rückgang der Wärmeleitfähigkeit festgestellt werden . Weiters wird durch den Einsatz von Folien auch die Gaskonvektion der beweglichen Moleküle unterbunden. Bei einem Druck von 10^-3 mbar und der Verwendung von 4 Folien ist es möglich, einen λ-Wert von rund 0,003 W/mK zu erzielen. Dies entspricht im Vergleich zu herkömmlichen Weich- bzw. Hartschaumisolierungen einer Reduzierung der Wärmeverlustleistung um den Faktor 10.

Abbildung 2: Gesamte Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien für den Vakuumraum

Verwendet man ein spezielles transparentes (z.B. Silikat Aerogel) bzw. opakes (z.B. Perlit) Schüttmaterial, wird deutlich, dass sich mit kleiner werdendem Porendurchmesser die Wärmeleitfähigkeit erheblich reduziert . Der Unterschied zwischen einem transparenten und opaken Schüttmaterial liegt darin, dass bei transparenter Schüttung der Strahlungsanteil und die damit verbundene Wärmeleitfähigkeit geringfügig höher ist. Im Vergleich zu Strahlungsfolien, kann mit einem Schüttmaterial bereits bei einem Druckniveau von 10 mbar und einem Porendurchmesser von 0,001 mm eine Wärmeleitfähigkeit von = 0,005 W/mK erzielt werden. Wird ein Material mit einem größeren Porendurchmesser als 0,001 mm gewählt, ist für das Erreichen derselben Wärmeleitfähigkeit ein geringeres Druckniveau erforderlich.
Aufgrund der Zielvorgabe, dass die Wärmeleitfähigkeit bei einem Druckniveau von 10 mbar um den Faktor 10 kleiner sein soll als bei konventionellen Dämmmaterialien, wird für den Einsatz im Vakuum ein opakes Schüttmaterial gewählt.

Systemsimulationen

Durch die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit eines Speichers mit Vakuumdämmung ist es im nächsten Schritt möglich, Jahressimulationen durchzuführen. Damit können einerseits die jährlichen Speicherverluste und andererseits, bei Verwendung eines Solarsystems, Änderungen im solaren Deckungsgrad untersucht werden. Für die Systemsimulationen mit der Software Polysun (2010) wird ein opakes Schüttmaterial mit einem λ-Wert von 0,003 W/mK herangezogen.
Um die jährlichen Speicherverluste zu simulieren und die Auswirkungen der unterschiedlichen Isolationsmaterialien vergleichen zu können, wird ein Referenzsystem definiert.

• Einfamilienhaus mit 50 kWh/m²a
• NT-Wärmeabgabesystem (Auslegungs-Temperatur 35°C/28°C)
• Brauchwarmwasser 50 l/(P.d) bei 50 °C
• Flachkollektor [ η=0,8; c₁=3,5 W/(m²K); c₁=0,02 W/(m²K²)]
• Bruttokollektorfläche 20 m²
• Kesselleistung 10 kW
• Speichervolumen 1 m³

Auf Basis dieses Referenzsystems werden die unterschiedlichen konventionellen Dämmqualitäten (Ideal und Real) mit einer Vakuumdämmung verglichen, wobei die Dämmstärke von 20 bis 500 mm variiert wird (Abb. 2). Weiters werden die Auswirkungen im Zusammenhang mit verschiedenen Kollektorflächen und Speichervolumina hinsichtlich des solaren Deckungsgrades untersucht (Abb. 3). Die dabei verwendeten Dämmstärken sind der Tabelle 1 zu entnehmen.

Tabelle 1: verwendete Dämmstärken

Abbildung 3: Jährliche Speicherverluste des Referenzsystems mit einem ideal-, real- und vakuumgedämmten Speicher

Abbildung 4: Verlauf des solaren Deckungsgrades real- und vakuumgedämmter Speicher bei unterschiedlichen Kollektorflächen

Speicherverluste werden bei einer Simulation immer idealisiert (Ideal) abgebildet. Bei realen Anlagen (Real) liegen die Unterschiede im Wesentlichen an der nicht exakt anliegenden Dämmung (Kamineffekt) und der meist nur schlecht bis gar nicht gedämmten hydraulischen Anschlüsse des Speichers. Aus der Arbeit von Heimrath (2004) wurden entsprechende Korrekturfaktoren entnommen, um simulierte ideale Speicherverluste auf reale Verhältnisse überführen zu können.
Betrachtet man die jährlichen Speicherverluste, sind bei einer Dämmstärke von 100 mm bereits enorme Unterschiede zwischen idealen und realen Werte zu erkennen (Abbildung 2). Verwendet man hingegen eine 20 mm Vakuumdämmung, sind die jährlichen thermischen Verluste um rund das Vierfache geringer als bei einem real gedämmten Speicher. Um die Auswirkungen auf den solaren Deckungsgrad zu untersuchen, werden die unterschiedlichen Dämmqualitäten konventionell gedämmter Speicher und Speicher mit Vakuumdämmung in das Referenzsystem integriert.

Abbildung 5: Opakes Schüttmaterial und Struktur (REM-Aufnahme)

Ergebnisse der Systemsimulationen

Das Referenzsystem stellt eine im Einfamilienhaus übliche Dimensionierung dar, bei welcher unter Verwendung eines real gedämmten Speichers ein solarer Deckungsgrad von etwa 30 % erreicht wird. Verwendet man bei gleichem Speichervolumen hingegen eine Vakuumdämmung, kann man zur Erreichung eines solaren Deckungsgrades von 30 % die Kollektorfläche um rund 8 m² reduzieren.
Wählt man bei einem real gedämmten Speicher ein Speichervolumen von 10 m3 und eine Kollektorfläche von 60 m², erreicht man einen solaren Deckungsgrad von 57 %. Durch die Verwendung eines Vakuumspeichers kann bei gleichem solaren Deckungsgrad die Kollektorfläche um etwa 10 m² reduziert werden. Weiters ist ersichtlich, dass sich bei gleichbleibendem solaren Deckungsgrad das Speichervolumen durch die Verwendung einer Vakuumdämmung halbieren lässt.
Im Allgemeinen werden durch die Verwendung einer Vakuumdämmung die thermischen Verluste um ein Vielfaches reduziert, wodurch entweder bei gleichem Speichervolumen der solare Deckungsgrad steigt oder bei gleichbleibendem solaren Deckungsgrad Kollektorfläche eingespart werden kann.

Ausblick

Die bislang theoretischen Berechnungen bilden die Basis für die Definition einer geeigneten Konstruktion. In einem nächsten Schritt erfolgt die Fertigung eines entsprechenden Funktionsmusters, welches im Labor der AEE INTEC vermessen und die Stabilität des Vakuums untersucht wird. Weiters erfolgt eine Rückkopplung der Mess¬ergebnisse mit den theoretischen Berechnungsmodellen, wodurch diese zugleich validiert werden. Abschließend wird eine Lebenszyklusanalyse durchgeführt, um die primärenergetischen Auswirkungen und die Kosten des Vakuumspeichers im Vergleich mit einem konventionell gedämmten Speicher zu eruieren.

*) Dipl.-Ing. Florian Altenburger ist Mitarbeiter des Bereichs „Solarthermische Komponenten und Systeme“ von AEE INTEC; Ing. Christian Fink ist Leiter des Bereichs „Solarthermische Komponenten und Systeme“ von AEE INTEC; Dipl.-Ing. Robert Hausner ist Mitarbeiter des Bereichs „Solarthermische Komponenten und Systeme“ und Vorstand von AEE INTEC [^]