Hoch­schu­le Hof: „Ener­gie- und CO2-Ein­spa­run­gen durch Eis­bat­te­rien – betrie­ben mit Sonnenenergie!“

Wärmetauscher. Foto: Hochschule Hof
Wärmetauscher. Foto: Hochschule Hof

Die Spei­che­rung von Ener­gie ist eine der Schlüs­sel­fra­gen für eine nach­hal­ti­ge Ener­gie­ver­sor­gung. Auch am Cam­pus Münch­berg der Hoch­schu­le Hof läuft dazu der­zeit ein span­nen­des Pro­jekt. Hier wer­den neu­ar­ti­ge Eis­bat­te­rien für Kühl­an­wen­dun­gen erforscht, die dazu bei­tra­gen kön­nen, nach­hal­tig Ener­gie und CO2 zu redu­zie­ren. Sie wer­den aus über­schüs­si­ger Son­nen­en­er­gie gespeist. Wir haben dazu mit Tus­har Shar­ma, Wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter am Insti­tut für Was­ser- und Ener­gie­ma­nage­ment der Hoch­schu­le Hof (iwe) und mit Richard Genes, Geschäfts­füh­rer des Koope­ra­ti­ons­part­ner Genes Käl­te­tech­nik GmbH aus Hof gesprochen.

Herr Shar­ma, was genau ist ein Eis­spei­cher und was möch­ten Sie mit Ihrer For­schung her­aus­fin­den und erreichen?

Tushar Sharma, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Wasser- und Energiemanagement der Hochschule Hof (iwe)

Tus­har Shar­ma, Wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter am Insti­tut für Was­ser- und Ener­gie­ma­nage­ment der Hoch­schu­le Hof (iwe)

Die Tech­no­lo­gie selbst ist schon seit Jahr­zehn­ten auf dem Markt und es wur­de viel For­schung auf grund­le­gen­der Ebe­ne betrie­ben. Das heißt, der Pro­zess der Eis­her­stel­lung im Tank durch Wär­me­tau­scher ist bis ins Detail bekannt. Was aber neu ist: Mit dem Kon­zept einer Eis­bat­te­rie wol­len wir eine erschwing­li­che und ener­gie­ef­fi­zi­en­te Alter­na­ti­ve zu den bereits vor­han­de­nen, elek­tro­che­mi­schen Bat­te­rien ver­mark­ten, die bis­lang zur Spei­che­rung über­schüs­si­ger Solar-PV-Ener­gie ver­wen­det wer­den. Das ist für die Betrie­be natür­lich ein inter­es­san­ter Ansatz zur Ver­mei­dung von Ener­gie­ko­sten und zur Ver­bes­se­rung der eige­nen CO2-Bilanz. Mei­ne For­schung kon­zen­triert sich auf die Maxi­mie­rung des Eigen­ver­brauchs von sola­rer PV-Ener­gie zur Erzeu­gung von Eis in der Eis­bat­te­rie. Das bedeu­tet: Das Steue­rungs­sy­stem wird dabei so opti­miert, dass die Aus­la­stung der Eis­bat­te­rie maxi­miert wird, um den Kühl­be­darf der betrach­te­ten Indu­strie zu decken. Bis jetzt haben wir die Rege­lungs­stra­te­gie auf 3 ver­schie­de­ne Fäl­le ange­wen­det, dar­un­ter eine Bäcke­rei und zwei Braue­rei­en. Das System wur­de in der Simu­la­ti­ons­soft­ware TRN­SYS model­liert und die Ergeb­nis­se zeig­ten signi­fi­kan­te Ener­gie- und CO2-Einsparungen.

Wie muss man sich das tech­nisch vor­stel­len – in Münch­berg steht immer­hin ein recht umfang­rei­cher Laborprüfstand?

Eine Eis­bat­te­rie ist im Grun­de nur ein Was­ser­spei­cher, in den Wär­me­tau­scher ein­ge­taucht sind, die durch Ent­zug der laten­ten Wär­me­en­er­gie des Was­sers Eis bil­den kön­nen. In unse­rem Labor auf dem Cam­pus Münch­berg haben wir Erfah­rung mit ver­schie­de­nen Arten von Wär­me­tau­schern, die sich in ihrer Erschei­nungs­form unter­schei­den. Es gibt stern­för­mig, spi­ral­för­mig, schlan­gen­för­mig, Flach­plat­ten und neu­er­dings auch als Kapillar­mat­ten. Wir haben auch ein detail­lier­tes Soft­ware-Modell für Flach­plat­ten- und Kapillar­mat­ten-Wär­me­über­tra­ger auf Basis der Eis­bat­te­rie geschrie­ben. Wir sind in der Lage dyna­mi­sche System­si­mu­la­tio­nen durch­zu­füh­ren und die Simu­la­ti­ons­er­geb­nis­se mit den im Labor­prüf­stand durch­ge­führ­ten Expe­ri­men­ten zu ver­glei­chen. Durch dyna­mi­sche System­si­mu­la­tio­nen, die in TRN­SYS durch­ge­führt wur­den, wur­de fest­ge­stellt, dass die Kapillar­mat­ten-Eis­bat­te­rie eine bes­se­re Lei­stung in Bezug auf die Ent­wick­lung des Eis­mas­sen­an­teils sowie die Men­ge der aus­ge­tausch­ten laten­ten Wär­me an einem idea­len Betriebs­tag auf­weist. Wir haben das Flach­plat­ten­mo­dell mit den Expe­ri­men­ten vali­diert und füh­ren der­zeit Expe­ri­men­te mit den Kapillar­mat­ten­wär­me­tau­schern durch.

Im Moment kön­nen wir den gesam­ten Prüf­stand über eine Fern­steue­rung mit dem Lab­View-Pro­gramm bedie­nen. Durch die­ses Lab­View-Pro­gramm sind wir in der Lage, ver­schie­de­ne Sen­so­ren und Ven­ti­le zu über­wa­chen, zu mes­sen und zu steu­ern. So kön­nen wir auch für jeden belie­bi­gen Betrieb ein Kühl­last­pro­fil simu­lie­ren. Damit haben wir die Mög­lich­keit, ver­schie­de­ne Kühl­last­pro­fi­le, ver­schie­de­ne Solar-PV-Daten basie­rend auf ver­schie­de­nen Wet­ter­da­ten zu testen und die Regel­stra­te­gie basie­rend auf ver­schie­de­nen Situa­tio­nen anzupassen.

Herr Genes, Sie sind von Anfang des Pro­jek­tes mit Ihrem Unter­neh­men mit an Bord. Was hat Sie dazu bewo­gen und was ver­spre­chen Sie sich kon­kret von dem Projekt?

Mich hat die Idee beein­druckt, Son­nen­en­er­gie, die bis­lang über­flüs­sig pro­du­ziert wird, doch noch einer Nut­zung zuzu­füh­ren. Mit die­ser Ener­gie wird Käl­te für einen Eis­spei­cher pro­du­ziert und gespei­chert. Das hat gro­ße Vor­tei­le, denn beson­ders in der pro­du­zie­ren­den Wirt­schaft wird immer mehr Käl­te benö­tigt. Ich den­ke, wenn man das Pro­jekt rich­tig wei­ter­ver­folgt, wird es vie­le Inter­es­sen­ten an der Tech­nik geben. Die Ein­spa­run­gen sind überzeugend.

For­schung ist auch immer das Prin­zip Try & Error: Wel­che Art von Ver­su­chen wer­den aktu­ell durchgeführt?

Im Moment lau­fen zwei Pro­jek­te mit dem The­ma Eis­spei­cher: Das erste Pro­jekt wird am Eis­spei­cher­prüf­stand im Ener­gie­la­bor durch­ge­führt. Auf die­sem Prüf­stand testen wir zwei ver­schie­de­ne Typen von Eis­bat­te­rien, die auf Flach­plat­ten- und Kapillar­mat­ten-Wär­me­tau­schern basie­ren. Durch die Lab­View-Soft­ware haben wir die Mög­lich­keit, eine Hard­ware-in-Loop-Simu­la­ti­on zu rea­li­sie­ren, in der wir ver­schie­de­ne Kühl­last­pro­fi­le simu­lie­ren und ver­schie­de­ne Regel­stra­te­gien testen kön­nen. Das geschieht, indem wir den Durch­fluss des Kühl­mit­tels durch Ven­ti­le steu­ern. Das zwei­te Pro­jekt ist ein Koope­ra­ti­ons­pro­jekt mit dem Schwei­zer SPF Insti­tut für Solar­tech­nik in der OST Uni­ver­si­tät, Rap­pers­will in der Schweiz. In die­sem Pro­jekt vali­die­ren wir das TRN­SYS-Modell mit den Expe­ri­men­ten für einen Eis­spei­cher der Fir­ma VIESS­MANN (Iso­cal), der außer­halb des Ener­gie­la­bors im Boden ver­gra­ben ist. Für eine neue Rei­he von Expe­ri­men­ten für die­ses Pro­jekt haben wir neue Boden­tem­pe­ra­tur- und Eis­an­teil­sen­so­ren instal­liert, um genaue­re Ergeb­nis­se zu erhal­ten. Die­se sol­len uns hel­fen, die Dyna­mik der Wär­me­über­tra­gung zwi­schen dem Erd­reich, das den Eis­spei­cher­tank umgibt, und dem Wasser/​Eis im Tank zu ver­ste­hen. Sobald die Ver­ei­sungs- und Schmel­z­ei­gen­schaf­ten des Iso­cal-Modells mit dem TRN­SYS-Modell vali­diert sind, wird die voll­stän­di­ge System­va­li­die­rung eingeleitet.

Wo könn­ten denn mit­tel- und lang­fri­stig die Ein­satz­mög­lich­kei­ten der Tech­nik lie­gen, wenn man an den All­tag der Men­schen denkt, Herr Genes?

Der Ein­satz der Tech­nik wird sicher­lich immer im pro­du­zie­ren­den Gewer­be lie­gen. Im Pri­vat­sek­tor könn­te es mit­tel- und lang­fri­stig auch eine Ein­bin­dung in die Haus­ver­sor­gung geben, z. B. für die Kli­ma­ti­sie­rung von Wohnräumen.

Wich­tig für die Umsetz­bar­keit von For­schung ist auch immer die Kosten-/Nut­zen-Rela­ti­on. Wie sieht es in die­sem Bereich aus? Kann die Tech­nik in abseh­ba­rer Zeit mas­sen­taug­lich werden?

Sowohl die wirt­schaft­li­che als auch die ener­ge­ti­sche Lei­stungs­fä­hig­keit der Tech­no­lo­gie wur­de durch ver­schie­de­ne Fall­stu­di­en in der Simu­la­ti­ons­soft­ware Poly­sun und TRN­SYS theo­re­tisch ermit­telt. Vor kur­zem wur­de auch eine Fall­stu­die zur Ener­gie- und Kosten­ein­spa­rungs­ana­ly­se für die Tra­di­ti­ons­braue­rei „Mei­nel Bräu“ in Hof durch­ge­führt. Durch die durch­ge­führ­ten Simu­la­ti­ons­er­geb­nis­se wur­de die Amor­ti­sa­ti­ons­zeit der Anla­ge auf etwa 5 Jah­re geschätzt. Nach die­ser Amor­ti­sa­ti­ons­zeit kön­nen jähr­lich signi­fi­kan­te fünf­stel­li­ge Beträ­ge an Ener­gie­ko­sten ein­ge­spart werden.

Wie geht es nun wei­ter und wann soll das Pro­jekt abge­schlos­sen werden?

Im Moment pla­nen wir ein Fort­set­zungs­pro­jekt mit einer Fir­ma, die eine phy­si­ka­li­sche Steue­rung ent­wickeln und unser Kon­zept umset­zen kann. Wir möch­ten, dass es schon in abseh­ba­rer Zukunft bei einem Indu­strie­part­ner in Echt­zeit ein­ge­setzt wer­den kann. Sobald der Pro­jekt­vor­schlag aus­ge­ar­bei­tet ist, wer­den wir eine Pro­jekt­för­de­rung im Zen­tra­len Inno­va­ti­ons­pro­gramm Mit­tel­stand (ZIM) beantragen.

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