Ziel der Entwicklung

Der Anteil fluktuierender regenerativer Energiequellen wird künftig weiterhin steigen, so dass die Speicherung von Energie eine zunehmende Bedeutung erfahren wird. Bereits 2030, also in sieben Jahren, soll ein Anteil von 80 % erneuerbaren Energien im Jahresdurchschnitt erreicht werden. Dies soll im Wesentlichen durch den Ausbau der volatilen Energieträger Wind und Sonne erreicht werden, was zu einem zeitlich stark wechselnden Stromerzeugungspotential führen wird. So wird zukünftig trotz flexibilisierter Last v.a. tagsüber ein „Überangebot“ an Solarstrom erzeugt. Aufgrund dieser Entwicklung steigt die Attraktivität von Energiespeichern. Neben der elektrischen Energiespeicherung ist es Kälteanwendern möglich, den Strom in die Nutzenergie „Kälte“) umzuwandeln und in einen thermischen Speicher einzulagern. Kältespeicher können einen wichtigen Beitrag bei der Dekarbonisierung unserer Energieversorgung leisten, indem sie die Integration hoher Anteile erneuerbarer Stromerzeugung unterstützen. Der Eisspeicher ist eine Hauptkomponente beim Heizen mit Eis, der Speicherung von Kälte bei schwankenden Angebot von regenerativer Energie zum Antrieb der Kälteanlagen oder zur Abdeckung von Spitzenlasten. Im Vorhaben sollen Gestaltungsrichtlinien erarbeitet und das Betriebsverhalten von „schlanken“ Flüssigeis-Speichern insbesondere in Kopplung mit dem Vakuumeis-Verfahren untersucht werden. Dabei soll u.a. die Frage beantwortet werden, welche maximale Eiskonzentration in Abhängigkeit von welchen Größen und im Speicher verwendeten Bauteilen realisiert werden kann.

Vorteile und Lösungen

Bei unterschiedlichen Eiskonzentrationen und verschiedenen Additiven ist ein homogener Mischzustand von Eis (Feststoff) und der Flüssigkeit in dem Flüssigeis-Speicher zu gewährleisten. Beim Mischen von Feststoffen (Eis) in einer Flüssigkeit (Wasser mit und ohne Additiv) spricht man von Suspendieren.
Die entstehenden Suspensionen neigen zum Entmischen, d.h. die Feststoffe die eine höhere Dichte als die Flüssigkeit haben würden mit der Zeit absinken und die Feststoffe wie zum Beispiel Eis mit einer geringeren Dichte als die Flüssigkeit würden mit der Zeit nach oben steigen. Erst bei Partikelgrößen unter 1 µm entstehen stabile Suspensionen.
Je nach Anwendungsfall kommen Rührer der unterschiedlichsten Formen zum Einsatz. Sie lassen sich grob nach dem erzeugten Strömungsbild unterscheiden. Es gibt axial-, radial- und tangentialfördernde Rührer. Stromstörer werden eingesetzt, um zu verhindern, dass der gesamte Behälterinhalt mit dem Rührer mitrotiert.
Es wurden unterschiedliche Konfigurationen von Rührorganen (Propeller, Schräckblatt, Visco Jet®Crack) bei Eiskonzentrationen im Speicher bis zu 60 % Eisanteil beim Beladen und Entladen von Eisspeichern untersucht.

Zielgruppe und Zielmarkt

Der Wärme- und Kältemarkt unterliegt seit Jahren einem steten Wandel hin zu modernen, umweltfreundlichen Systemen und hat durch den Krieg in der Ukraine nochmals einen deutlichen Impuls erfahren. Seit dem Bestreben der Länder der EU, unabhängiger von russischen Energieträgern zu werden, wächst der Druck, diese schnellstmöglich durch erneuerbare Energieerzeugung zu ersetzen und gleichzeitig die gesteckten Ziele zur Umsetzung des 1,5-Grad-Ziels aus dem Pariser Klimaschutzabkommen zu erfüllen. Im ILK Dresden hat man sich unter anderem seit vielen Jahren auf die Entwicklung von Systemen zur speichergestützten sowie zur kontinuierlichen Versorgung mit Kälte, als auch der Kopplung von Wärme und Kälte unter Verwendung von Wasser als Kältemittel spezialisiert. Wasser ist ungiftig, leicht verfügbar, kostengünstig und besitzt ein GWP=0. Das angewandte Verfahren der Direktverdampfung zur Eiserzeugung erreicht dabei das physikalische Maximum an Effizienz. Im Ergebnis entsteht ein pumpfähiges Wasser-Eis-Gemisch, das in seiner Zusammensetzung den Anforderungen des Kunden angepasst werden kann. Das Flüssigeis-Gemisch kann anschließend zur Speicherung der Kälte in einem Eisspeicher aufkonzentriert werden. Der Zielmarkt für den Einsatz von Flüssigeis-Speichern liegt zum einen im Bereich der Industriekälteanlagen und mittleren bis großen Klimatisierungslösungen sowie im Bereich der Fernkälte. Große bis mittelgroße, kommunale oder industrielle Kältenetze eignen sich besonders gut für Kältespeichertechnologien, um mittels Lastmanagement eine höhere Wirtschaftlichkeit zur erzielen. Kommunale bzw. private Versorgungsunternehmen als Betreiber von Kältenetzen stellen dabei geeignete potenzielle Kunden dar. Derzeit existieren bereits große Fernkältenetze, zum Beispiel in Berlin, Dresden, Chemnitz, Aachen oder München. Insgesamt beträgt allein die Gesamtlänge städtischer Fernkältenetze in Deutschland rund 100 Kilometer und bietet aufgrund der zukünftigen, klimatischen Entwicklungen ein hohes Potential für Erweiterungen. Der Markt an kleinen bis mittleren, industriell betriebenen sog. Kaltwassernetzen kann dagegen nicht exakt quantifiziert werden.
Die Systeme mit Flüssigeis-Speicher sind für Kunden interessant,
- die beispielsweise hohe Lastspitzen im Kältebedarf haben, die durch die Speicherung von Kälte zu günstigen Bedingungen, etwa durch Tag-/ Nachttarife, abgefangen werden können,
- die ein hohes Maß an Umweltbewusstsein und Nachhaltigkeit vorliegen haben,
- oder wenn durch absehbare, energiepolitische Randbedingungen, wie der Umsetzung der F-Gase-Verordnung, die Wirtschaftlichkeit der vorhandenen Systeme nicht mehr gewährleistet sind.
- die Eisspeicher als Wärmequelle für den Einsatz von Wärmepumpen nutzen
Das betrifft vor allem Zielgruppen mit:
- ausgeprägtem Kältebedarf bzw. zu optimierenden Lastprofilen, wie Molkereien, Brauereien, zyklisch arbeitenden Prüfständen & industriellen Batch-Prozessen
- der Vermeidung von Ausfallrisiken durch Einsatz von Speichertechnologien, wie bspw. in Rechenzentren und Krankenhäusern
- sowie mit hohen Anforderungen an Brandschutz & Umweltverträglichkeit, wie Theater und Standorte in Wasserschutzgebieten.
Vakuum-Flüssigeisanlagen werden bislang nur von der Fa. AQVA Synergy GmbH sowie im Bereich von Versuchs- und Pilotanlagen vom ILK selbst angeboten. Die AQVA Synergy GmbH hat sich das Ziel gesetzt, eine breite Markteinführung der Flüssigeis-Technologie zu realisieren. Dies erfolgt entsprechend des abgeschlossenen Lizenz- und Kooperationsvertrages in enger Zusammenarbeit mit der ILK Dresden gGmbH. Sofern projektbezogen sinnvoll, wird AQVA Synergy schlanke Flüssigeisspeicher für das Gesamtsystem vorsehen und ILK Dresden mit der Auslegung und Dimensionierung der Speicherkomponenten beauftragen.
Auch wenn das zu entwickelnde Speicher-System auf Flüssigeis ausgerichtet ist, welches durch die Direktverdampfung von Wasser erzeugt wird, sind die gewonnen Erkenntnisse auch auf Speicherung von Flüssigeis, dass durch andere Verfahren hergestellt worden ist, anwendbar. Es wird angestrebt, vor allem auch die Erkenntnisse aus dem energetischen Betrieb der Flüssigeis-Speicher, in die Planung, die Auslegung und den Betrieb von Flüssigeis-Speicheranlagen weiterer Anbieter einfließen zu lassen.