Phase Change Materials

Zuletzt aktualisiert am 05.02.2017

Phase Change Materials – Lastganguntersuchung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung

1  Abstract

In diesem Projekt wurde die Rückwirkung von PCM-Systemen auf den Kraftwerkspark untersucht. Hierzu war es notwendig, den aktuellen Zustand der Gebäudeklimatisierung zu erarbeiten. Erst dann konnten Aussagen über die Veränderung des Lastgangs und auf die Rückwirkung auf den Kraftwerkspark getätigt  werden.

2 Lastganguntersuchung

Auf Basis einer umfassenden Literaturrecherche und eigener Hochrechnungen, sowie unter Berücksichtigung aktueller Entwicklungstrends im Bereich Gebäudeklimatisierung, wurde der Strombedarf für Büros und büroähnlichen Gebäuden zu 11 TWh im Jahr 2009 bestimmt. Die Kältebereitstellung erfolgt dabei überwiegend mit Kompressionskältemaschinen.

Um Aussagen zur Wirtschaftlichkeit von PCM-Systemen zu machen, ist es notwendig, die Kosten für die konventionelle Gebäudeklimatisierung zu kennen. Die Kosten für die Gebäudeklimatisierung mit Absorptions- und Kompressionskältemaschine sowie von Splitsystemen mit Luft-Wasser-Wärmepumpen wurden ermittelt. Es wurde dargestellt, welchen Einfluss die Größe des zu klimatisierenden Gebäudes und der Einsatz eines Eisspeichers auf die Gesamtkosten haben.

Durch die geringen Investitionskosten für herkömmliche Kompressionskältemaschinen stellt diese Art eine kostengünstige Technik zur Kältebereitstellung dar. Bei Betrachtung der Betriebskosten und unter Berücksichtigung steigender Strompreise bzw. der Verfügbarkeit einer günstigen Wärmequelle – zum Beispiel von Abwärme einer KWK-Anlage – kann auch eine Absorptionskältemaschine wirtschaftlicher sein. Da die Kompressionskältemaschinen jedoch häufig die wirtschaftlichste Variante der Kältebereitstellung darstellt, hat dies bisher zu einer deutlichen Marktdominanz durch diese Kälteerzeugungstechnik geführt.

An heißen Sommertagen kann es durch den Strombedarf der Kompressionskältemaschinen zu einem starken Anstieg bei der Last der allgemeinen Versorgung kommen. Eine Auswertung des Lastgangs hat für Deutschland eine schwache Temperaturabhängigkeit gezeigt. Für andere europäische Länder ist diese Temperaturabhängigkeit bereits deutlich ausgeprägter.

Mit einer Gebäudesimulation für verschiedene Typgebäude und Regionen wurde ein deutscher Klimatisierungskältelastgang erzeugt, siehe Abbildung 1. Auch dieser Lastgang zeigt eine Temperaturabhängigkeit. Der Vergleich der Temperaturabhängigkeit des simulierten Lastgangs mit der Temperaturabhängigkeit des Verbraucherlastgangs zeigt, dass die Höchstlast der Klimatisierung – der „Summerpeak“ – in Deutschland rund 8 bis 9 GW beträgt.

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Abbildung 1: Zwei Beispiele für den Verlauf von Last, Erzeugung, Kälte und Restlast für zwei Sommerwochen des Testreferenzjahrs.

PCM-Systeme stellen eine interessante Option zur Kühlung von Gebäuden mit geringem Energieeinsatz dar. Im Rahmen des PCM-Demo-Projekts wurden drei Systeme, die hinterlüftete PCM-Kühldecke, die wasserdurchströmte PCM-Kühldecke und der PCM-Sonnenschutz, unter praxisnahen Bedingungen untersucht. Ergebnisse dieser Messungen wurden verwendet, um die PCM-Systeme in einer Gebäudesimulation zu modellieren.

In enger Absprache mit allen Projektbeteiligten wurden aktuelle und zukünftige Kosten der PCM-Systeme ermittelt. Hierbei wurde versucht, die für Demonstrationsanlagen zu erwartenden, höheren Kosten abzuschätzen und aus den Gesamtkosten herauszurechnen.

Tabelle 1: Bezeichnungen der verschiedenen PCM-Systeme

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Bei der Simulation der Raumtemperaturen hat sich gezeigt, dass vor allem die Kombinationen von PCM-Sonnenschutz mit einer PCM-Kühldecke einen besonders positiven Einfluss auf die Behaglichkeit haben, siehe Abbildung 2.

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Abbildung 2: Abweichung der Raumtemperatur von der Soll-Temperatur während der Arbeitszeiten im Sommer im Süd-Raum des untersuchten Massivbau-Bürogebäudes für die verschiedene PCM-Systeme.

Ergebnisse dieser Betrachtung bilden die Grundlage für die Entwicklung von PCM-Ausbauszenarien. Mit der Simulation und den PCM-Ausbauszenarien wurde der Klimatisierungslastgang für Deutschland ermittelt. Drei Ausbauszenarien für die PCM-Systeme wurden untersucht und der Kraftwerkseinsatz ermittelt.

3  Ergebnisse

Die Ergebnisse der Kraftwerkseinsatzplanung zeigen, dass der Strom für die konventionelle Klimatisierung überwiegend in Braun- und Steinkohlekraftwerken erzeugt wird, siehe Abbildung 3. Dementsprechend sind die CO2-Emissionen für jede zusätzlich erzeugte Kilowattstunde mit über 800 g CO2 sehr hoch. Der Primärenergieverbrauch in den verschiedenen Szenarien ist in Tabelle 2 dargestellt. Veränderungen im Kraftwerkspark, zum Beispiel durch einen höheren Anteil Erneuerbarer Energien oder durch Kraftwerksneubauten, können diese Werte stark beeinflussen.

Tabelle 2: Strom- und Primärenergieverbrauch sowie CO2-Emissionen in den drei PCM-Szenarien.

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Da PCM-Systeme viel Strom in Zeiten geringer Last (z.B. nachts) benötigen, führen sie zu einem gleichmäßigeren Lastgang. Dies hat große Auswirkungen auf den Kraftwerkspark. Der Anteil der Grundlastkraftwerke wird erhöht, der Anteil der Mittellastkraftwerke verringert. Solange die CO2-Emissionen der Grundlastkraftwerke geringer sind als für die Mittellastkraftwerke, führt dies zu sinkenden CO2-Emissionen.

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Abbildung 3: Strombedarf für 4 Referenzwochen bei konventioneller Klimatisierung.

Ein Ausbau der Gebäudeklimatisierung mit PCM-Systemen stellt eine besonders effektive Möglichkeit dar, um Strombedarf, Primärenergiebedarf und CO2-Emissionen zu senken. Verschiedene PCM-Systeme wurden im Rahmen des PCM-Demo-Projekts vorgestellt und ihre Wirksamkeit mit Messungen belegt. Die Kühlleistungen der Systeme sind jedoch noch geringer als bei konventionellen Systemen. Es erscheint daher sinnvoll, zunächst Gebäude mit geringen inneren Lasten mit PCM-Systemen auszustatten. Nur in diesen Gebäuden kann eine ausreichende Kühlung gewährleistet und somit eine hohe Nutzerakzeptanz erreicht werden. Dies ist sehr wichtig, da eine geringe Nutzerakzeptanz in der Praxis für den Einsatz von PCM-Systemen sehr hinderlich sein kann.

Gebäudeklimatisierung wird auch in Zukunft ein Wachstumsmarkt sein. PCM-Systeme mit ausreichenden Kühlleistungen haben gute Chancen, bei geringem Strombedarf den Komfort in Gebäuden zu erhöhen. Die noch hohen Investitionskosten stellen allerdings eine Herausforderung für die PCM-Systeme dar.

 

Auftraggeber: E.ON Energie