SunStore - Latenter, kompakter Pufferspeicher für mit Photovoltaik betriebene Wärmepumpen

Projektübersicht

Cowa Thermal Solutions AG ist ein Spin-off des Kompetenzzentrums für thermische Energiespeicher (CC TES) der Hochschule Luzern (HSLU), das mit dem Ziel, makroverkapseltes Phasenwechselmaterial (CowaCaps) zu kommerzialisieren, gegründet wurde. Cowa hat dazu in Zusammenarbeit mit der HSLU verschiedene, auf Salzhydrat basierte, Phase Change Materials (PCM) entwickelt, die für typische Temperaturbereiche von Wärmepumpen im Gebäudebereich ausgelegt sind.

Im Rahmen dieses Projekts wird die Technologie in einer ersten realen Pilotanlage getestet. Bisher konnten Referenzmessungen in der Heizperiode 21/22 mit einem konventionellem Wasserpufferspeicher und in der Heizperiode 22/23 mit den PCM-Kapseln aufgezeichnet werden. Für die Heizperiode 23/24 wurden diese Kapseln nochmals ausgetauscht mit einem modifizierten PCM und einem neuen Kapseldesign.

Die Erprobung umfasst dabei die Produktion der Kapseln für die Pilotanlage inklusive der benötigten Qualitätssicherung und Funktionsprüfungen, die Installation und Inbetriebnahme der Pilotanlage, und deren Überwachung und periodische Überprüfung einzelner Kapseln, um deren Funktionalität und Lebensdauer zu erproben. Dadurch sollen am Ende des Projekts klare Aussagen über die energetischen Vorteile der mit PCM gefüllten Pufferspeicher und deren Wirtschaftlichkeit gemacht werden können.

Projektziele

Die Projektziele umfassen die folgenden Einzelziele

• Herstellung der für die Pilotanlagen benötigten PCM-Kapseln.
• Erfassung aller relevanten Massen- und Energieströme zur vollständigen Bilanzierung des Systems sowie zur Bestimmung der JAZ und der Heizautarkie über drei Heizperioden.
• Evaluation dieser Key Performance Indicators (KPIs) und Vergleich der PCM-Lösung mit dem state-of-the-art
  • Der Eigenverbrauch soll um 10% im Vergleich zur Referenzmessung erhöht werden
  • Die Heizautarkie soll im Vergleich zur Referenzmessung um 50% erhöht werden
  • Der Netzbezug des ganzen Gebäudes soll im Vergleich zur Referenzmessung um 10% verkleinert werden.
  • JAZ und Energieeffizienz der Wärmepumpe sollen erhöht werden mit dem Ziel, die JAZ über die Heizperiode um 2 – 4% zu erhöhen
• Erweiterung des Wissensstands bezüglich der Langlebigkeit der Kapseln
• Bestimmung idealer Reglerparameter zur möglichst effektiven Nutzung

Anlagenbeschrieb

Das Pilotobjekt ist ein Einfamilienhaus mit Einliegerwohnung (als Ferienwohnung vermietet) auf einer Sonnenterrasse in Pany (GR) auf 1178 m.ü.M mit Baujahr 1988 und folgenden technischen Anlagenkomponenten und Wärmebedarf (teils aus Eigentümerangaben geschätzt):

• Luft-Wasser Wärmepumpe Oertli LSI 140 SHW-SG mit Leistung 5.7 – 15.8 kW
• PV-Anlage mit 17 kW_p, 84 m², 26 Module in West- und 24 Module in Ostorientierung
• 800 l Heizungspufferspeicher und 500 l Warmwasserspeicher
• Elektrische Batterie mit 7.7 kWh zur Solarladung
• Geschätzter Wärmebedarf von 100 kWh/m²/a, Energiebezugsfläche 200 m²
• Geschätzter Stromverbrauch 4000 kWh/a
• Warmwasserverbrauch 180 l/Tag (16 °C auf 55 °C)
• Betrieb Pufferspeicher zwischen 40 °C und 52 °C, Kapazität von 11.2 kWh.
  Mit CowaCaps ergibt sich eine rechnerische Kapazität von 39.1 kWh.

PCM Kapseln

Die verwendete Kapsel heisst: «BOOSTER CAPSULE 45». Sie besteht aus PCM45 und hat eine Schmelztemperatur von 45 °C. Die Speicherdichte des Materials beträgt 50 kWh/m³.

Das PCM basiert auf Salzhydraten, welche im Vergleich zu anderen Phasenwechselmaterialien durch hohe Dichte und hoher Schmelzenthalpie (205 J/g bei diesem Material) zur hohen Speicherdichte führt. Die Verkapselung wurde auf Packungsdichte, thermische Leistung, und Produktionskosten optimiert, was zur Form in Abbildung 1  führte und eine Packungsdichte von 62% ermöglicht. Dadurch soll eine Kapazitätserhöhung im Vergleich von Wasser von über Faktor 2 erreicht werden.

Messsystem

Für die Messdatenerfassung werden die vom Wechselrichter aufgezeichneten Daten und eine Datenerfassung basierend auf einem Raspberry-Pi genutzt. Die Daten werden im 5-min Takt aufgezeichnet. Die Auswertung erflogt in Matlab. Abbildung 2  zeigt das Anlageschema mit den installierten Messpunkten und den Systemgrenzen für die Kennzahlberechnung.
 

Messresultate

Die dargestellten Messresultate beziehen sich auf die ersten zwei Heizperioden, der Referenzperiode 21/22 mit Wasserspeicher und der Heizperiode 22/23 mit PCM-Kapseln. Es wurde festgestellt, dass sämtliche Wärmeabnehmer in der zweiten Heizperiode weniger Energie verbraucht haben als in der Referenzperiode. Die zweite Heizperiode war ein sehr schneearmer Winter, welcher sich positiv auf die Solarerträge auswirkt, jedoch die Belegung in der Ferienwohnung reduziert. Zudem war die zweite Heizperiode wärmer als die erste. Daher wurde die Daten der zweiten Heizperiode mit den Heizgradtagen und der Belegung korrigiert.

In Abbildung 3 sind die korrigierten Werte ersichtlich. Nach der Korrektur kann mehr Eigenverbrauch und ein Anstieg der Autarkie ausgewertet werden. Der Anstieg des Eigenverbrauchanteils bestätigt die Messresultate. Die erhöhte Speicherkapazität führt also real zu einem Anstieg des Eigenverbrauchsanteil.

Zusammenfassung und Ausblick

Hinsichtlich der Zielsetzung konnten die KPIs bis auf die Effizienzsteigerung der WP erreicht werden. In der gegenwärtigen Heizperiode 23/24 wird die Anlage mit angepassten CowaCaps betrieben, womit eine weitere Steigerung des PV-Eigenverbrauchs erwartet wird.