Forschung

Abgeschlossene Forschungsprojekte 2012

Optimierung der Leistungsparameter von Standard-Solarspeichern

Das im Jahr 2010 begonnene Drittmittelprojekt zur Speicheroptimierung konnte im Jahr 2012 erfolgreich abgeschlossen werden. Der Auftraggeber – ein brandenburgischer Speicherhersteller – verfolgt das Ziel, seine Produkte energieeffizienter zu gestalten. So soll den nationalen und EU-weiten Anforderungen zu Erhöhung der Gesamtenergieeffizienz Rechnung getragen werden. Schon einfache Änderungen an der Geometrie der Ein- und Auslaufrohre von Warmwasserspeichern können deren Leistung deutlich verbessern.

In dem beschriebenen Projekt erfolgte die Optimierung der Leistungsparameter durch Strömungssimulationen und die Validierung der Ergebnisse durch messtechnische Untersuchungen an Prototypen. Zur Optimierung des Speicherentladevorgangs müssen diejenigen Strömungsvorgänge identifiziert werden, die bei der Speicherentladung (Zapfung) zur Ausbildung von Mischungszonen führen. Zielstellung der Simulationsläufe war die Minimierung der Mischungsvorgänge. Als Bewertungsgrößen wurden die  Mischwassermenge und der Entnahmewirkungsgrad verwendet. Beide Parameter bewerten die Speicherentladung qualitativ sowie quantitativ und sind anhand der simulierten oder messtechnisch ermittelten Entladekurven bestimmbar.

Alle Simulationsrechnungen erfolgten mit der Software StarCCM+. Der Vergleich unterschiedlicher Varianten zeigte, dass gegenüber der Referenzversion (Serienspeicher) beide Bewertungsgrößen um etwa 5% verbessert werden können. Nichtoptimale Speichereinlässe mit ungünstiger Kaltwassereinströmung kann andererseits die entnehmbare Mischwassermenge um bis zu 15 % mindern.

Als ein wichtiges Ergebnis des Projektes konnte nachgewiesen werden, dass schon geringste konstruktive Änderungen an den bestehenden Einlaufbauteilen – in der Serie ein gekantetes Blech als Prallplatte – zu einer signifikanten Verbesserung der untersuchten Leistungsparameter führen.

Die mit Hilfe der Strömungssimulationen optimierten Varianten wurden nachfolgend messtechnisch verifiziert. Dazu wurde eigens eine Testeinrichtung realisiert, die neben den o.g. Bewertungsgrößen auch die Leistungsparameter der Normenreihen DIN 4708 (u.a. Dauerleistung, NL-Zahl) und DIN EN 12977 ermittelt. Gegenüber bestehenden Prüfständen wurde erstmalig ein Konzept mit Pufferspeichern für Heiß- und Kaltwasser umgesetzt, das zu erheblichen Kostenreduktionen führte. Die Testeinrichtung ist aufgrund dessen besonders geeignet für Werksprüfungen in Herstellerunternehmen.

(Bearbeitung: Kevin Weber, Ronny Gross, Birgit Lustermann, Pascal Leibbrandt, Thomas Schabbach)
 

Energiekonzept für den Standort Nordhausen der Sakret GmbH

Die Firma Sakret GmbH mit Sitz in Nordhausen sucht als größeres mittelständisches Unternehmen im Bereich der Bau- und Grundstoffindustrie nach Lösungen, den eigenen Energiebedarf zu reduzieren und gleichzeitig verstärkt regenerative Energien zu nutzen. Dies begründet sich durch stetig steigende Energiekosten, aber auch durch Kundenforderungen mit Blick auf eine umweltverträgliche Produktion. Zur Erstellung eines entsprechenden Energiekonzepts wandte sich das Unternehmen daher im Februar 2012 an das Institut für Regenerative Energietechnik der Fachhochschule Nordhausen.

In der Firma werden Grundstoffe wie bspw. Sand und Zement getrocknet und mit Zuschlagstoffen zu hochwertigen Baumaterialen wie Mörtel, Putz und weiteren Spezialprodukten verarbeitet, abgefüllt und verpackt.

Im ersten Schritt der Untersuchung wurden die thermischen und elektrischen Verbraucher der Firma untersucht. Dabei konnte unter anderem auf die Verbrauchsabrechnung für Gas und Strom der letzten Jahre zurückgegriffen werden. Die Verbrauchscharakteristik weist einen hohen thermischen Bedarf für Prozesswärme, welcher über das Jahr geringen Schwankungen unterlegen ist, sowie einen wesentlich geringeren Bedarf an elektrischer Energie auf, wobei der Bedarf an elektrischer Energie mit dem thermischen Bedarf korreliert und damit den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen begünstigt. In diesem Schritt wurden auch die Heizlasten der Lagerhallen und sonstiger zu beheizender Gebäude bestimmt, um den Bedarf für Raumwärme zu quantifizieren. Raumwärmebedarf fällt im Wesentlichen zum Frostschutz von kälteempfindlichen Materialien und Geräten an.

Anschließend wurden Energieeffizienzmaßnahmen vorgeschlagen, um dem vorhandenen Energiebedarf zu minimieren. Der Bedarf an elektrischer Energie konnte hierbei nicht gesenkt werden, da die Prozessschritte bereits bei der Konzeption der vorhandenen Anlagen aus elektrischer Sicht optimiert worden sind. Thermische Energie zur Raumheizung kann durch Aufbringen einer Dämmung, üblicherweise eine Polyurethan-Wärmedämmung mit vergleichsweise sehr kleinen Wärmeleitfähigkeiten, auf etwa ein Viertel gesenkt werden; auch Baumaßnahmen, wie Zwischenwände mit Schnelllauftoren und der Ersatz der Außentore durch schneller schließende Tore birgt eine Verringerung der Luftwechselrate und somit eine Energieeinsparung. Hingegen ist die Energieintensivität der Trocknung nicht zu verringern. Daher wurde untersucht, inwieweit eine Wärmerückgewinnung aus der Trocknerfortluft den bisherigen Energieeintrag verringern kann. Auf Grundlage der vor Ort bestimmten Prozessparameter Feuchte, Temperatur und Druck in der Trocknerfortluft wurden Wärmeströme bestimmt, welche bspw. an benachbarte, zu beheizende Gebäude abgegeben werden können. Hierzu bietet sich ein Lüftungsgerät mit der Option zur Wärmerückgewinnung durch einen Luft-Luft-Wärmetauscher an. Konzepte zur Vorwärmung des zu trocknenden Nassgutes oder der Trocknerfortluft wurden ebenfalls untersucht.

Der verbleibende Energiebedarf soll nun durch den Einsatz erneuerbarer Energien effizient und umweltfreundlich bereitgestellt werden. Dazu wurden mehrere Varianten der gekoppelten Bereitstellung von thermischer und elektrischer Energie vorgestellt. Diese Konzepte wurden in einer Machbarkeitsuntersuchung auf Grundlage von lokalen, ökonomischen und ökologischen Rahmenbedingungen verglichen und bewertet. Als wirtschaftlich und umweltfreundlich stellten sich dabei der Einsatz eines Holzhackschnitzelkessels mit nachgeschalteter ORC-Anlage, welche durch einen Dampfkraftprozess elektrische Energie bereitstellt, sowie der Betrieb eines Biogas-BHKW heraus.
Auch bei der Umsetzung der vorgeschlagenen Maßnahmen wird das Institut für Regenerative Energietechnik die Firma beratend begleiten. Das Unternehmen ist aufgrund der guten Zusammenarbeit daran interessiert, seine verbleibenden Standorte vom Institut für Regenerative Energietechnik hinsichtlich Energieeffizienz und Einsatz erneuerbarer Energie untersuchen zu lassen.

(Bearbeitung: Maria Nuschke, Anika Broda, Joachim Fischer)