Bei der thermischen Energiespeicherung (TES) wird einem Speichermedium Wärmeenergie (thermische Energie) zugeführt und dann von diesem Medium zur Verwendung zu einem anderen Zeitpunkt entfernt. Dabei kann es sich um die Speicherung thermischer Energie bei hohen Temperaturen (Wärmespeicherung) oder bei niedrigen Temperaturen (Kältespeicherung) handeln.
In HLK-Anwendungen sind Eis und Wasser die am häufigsten verwendeten Speichermedien für die Speicherung von Kälte. Ein Kaltwasserspeichersystem nutzt die sensible Wärmekapazität einer großen Wassermenge, um thermische Energie zu speichern. Ein Kühler wird verwendet, um die Wassertemperatur zu senken, und dieses kühle Wasser wird in einem großen Tank gespeichert, um es zu einem anderen Zeitpunkt zu verwenden. Ein Eisspeichersystem nutzt jedoch die latente Kapazität von Wasser, die mit dem Phasenwechsel von fest (Eis) zu flüssig (Wasser) verbunden ist, um thermische Energie zu speichern.
Mehrere Eisspeichertechnologien wurden eingeführt, florierten für kurze Zeit und verließen anschließend den Markt. Eisspeichersysteme auf Glykolbasis erfreuen sich weiterhin großer Beliebtheit, da sie einfach sind und konventionellen Kaltwassersystemen ähneln. Jede Anwendung, die für ein Kaltwassersystem geeignet ist, ist ein Kandidat für die Eisspeicherung auf Glykolbasis.
Diese Art von Eisspeichersystem verwendet einen Kühler, um eine Wärmeübertragungsflüssigkeit, häufig eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel (z. B. Glykol), auf eine Temperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser zu kühlen. Diese Flüssigkeit wird durch einen oder mehrere Eisspeichertanks gepumpt, wo Wärme vom Wasser im Tank auf die Wärmeübertragungsflüssigkeit übertragen wird. Dadurch gefriert das Wasser im Tank.
Wenn die thermische Energie zu einem späteren Zeitpunkt benötigt wird, wird die Wärmeträgerflüssigkeit erneut durch den Speicher gepumpt, jedoch nun mit einer Temperatur über dem Gefrierpunkt von Wasser. Wärme wird von der Wärmeübertragungsflüssigkeit auf das im Tank gespeicherte Eis übertragen, wodurch das Eis schmilzt.
Das Hinzufügen von Eisspeicher zu einem HLK-System kann die mit der Kühlung verbundenen Betriebskosten senken, indem der Betrieb des Kühlers von Zeiten mit teurem Strom auf Zeiten mit billigem Strom verschoben wird.
Die obige Abbildung zeigt ein Auslegungstag-Kühllastprofil für ein Beispielgebäude. Zwischen Mitternacht und 6 Uhr morgens ist das Gebäude unbewohnt und es gibt keine Kühllast. Um 6 Uhr beginnt die Gebäudebelegung und die Kühllast steigt. Die Kühllast ist zwischen 11:00 und 16:00 Uhr am höchsten und nimmt dann nach 17:00 Uhr dramatisch ab, wenn die Menschen das Gebäude verlassen. Es gibt eine kleine Kühllast, die in den Abendstunden anhält, bevor sie um Mitternacht verschwindet.
Die meisten Energieversorgungsunternehmen haben tagsüber die größte Nachfrage nach Strom, einige sind sogar mit Kapazitätsengpässen konfrontiert. Um die Reduzierung des Stromverbrauchs in diesen Zeiten zu fördern, haben viele Energieversorgungsunternehmen Tagestarife eingeführt, die in diesen Zeiten hoher Nachfrage Zeitfenster für teureren Strom schaffen. Die Stunden, in denen die Stromkosten hoch sind, werden oft als „Spitzenzeiten“ bezeichnet. Andererseits bezieht sich die „Off-Peak“-Periode auf die Stunden, in denen die Stromkosten niedriger sind.
Für dasselbe Beispielgebäude ist Mittag bis 20 Uhr als Spitzenzeit definiert. Alle anderen Stunden sind als Schwachlastzeit definiert.
Eine weitere übliche Komponente des Stromtarifs ist eine Bedarfsgebühr. Dies ist eine Gebühr, die auf der höchsten Leistungsaufnahme (kW) oder Nachfrage basiert, die vom Gebäude während eines bestimmten Zeitraums verbraucht wird. Typischerweise gilt entweder der Leistungspreis nur für die Spitzenlastzeit oder der Spitzenleistungspreis ist deutlich höher als der Niederlastleistungspreis.
Eisspeichersysteme senken die monatlichen Betriebskosten, indem sie Eis schmelzen, um die Kühllast des Gebäudes während der Spitzenzeiten zu decken. Dadurch wird der für den Betrieb des Kühlers während dieses Zeitrahmens erforderliche Strom vermieden oder erheblich reduziert. Der Betrieb der Kältemaschine wird in die Schwachlastzeit verschoben, während der die Stromkosten niedriger sind und die Leistungsgebühr niedriger oder nicht vorhanden ist. Der Kühler wird während dieser Zeit verwendet, um das Wasser in den Speichertanks zu gefrieren und die thermische Energie bis zur Spitzenzeit zu speichern.
In diesem Beispiel werden die Gebäudekühllasten, die während der Spitzenzeit zwischen 12 und 20 Uhr auftreten, durch Schmelzen des gespeicherten Eises gedeckt, und die Kältemaschine wird abgeschaltet.
Diese oft als „Vollspeichersystem“ bezeichnete Art von System ist nur möglich, wenn die Speicherkapazität der Tanks groß genug ist, um die Kühllastspitzen des jeweiligen Tages zu decken.
Die Installationskosten eines Vollspeichersystems sind jedoch möglicherweise nicht realisierbar. Viele Eisspeichersysteme haben genug Kapazität, um nur einen Teil der Kühllasten zu Spitzenzeiten zu decken. Diese Art von System wird oft als „Teilspeichersystem“ bezeichnet.
In diesem beispielhaften Teilspeichersystem werden die in der Spitzenzeit auftretenden Kühllasten durch Eisschmelzen und den Betrieb der Kältemaschine gedeckt. Der Chiller arbeitet mit reduzierter Leistung, verbraucht weniger Energie und nimmt weniger Strom auf. Kühllasten, die größer sind als die vom Kühler bereitgestellte Kapazität, werden durch Schmelzen des gespeicherten Eises befriedigt.
Das Abschalten der Kältemaschine oder das deutliche Reduzieren ihrer Leistung während der Spitzenlastzeit reduziert den Verbrauch dieses teureren Stroms und reduziert den Spitzenstrombedarf. Beides kann zu niedrigeren monatlichen Stromrechnungen führen.
Auf den ersten Blick mag es scheinen, dass ein Eisspeichersystem, das zur Reduzierung des Stromverbrauchs (kW) zu Spitzenzeiten konzipiert ist, dasselbe ist wie ein System, das zur Reduzierung des Stromverbrauchs (kWh) zu Spitzenzeiten konzipiert ist. Welches der beiden am wichtigsten ist, kann jedoch die Art und Weise, wie das System entworfen und/oder gesteuert wird, erheblich verändern.
Um den Spitzenbedarf zu reduzieren, sollte das System Eis nur dann schmelzen, wenn der Strombedarf des Gebäudes am höchsten ist. Es ist durchaus akzeptabel, dass am Ende des Tages Eis im Tank verbleibt. Dieser als „Peak-Shaving“ bezeichnete Ansatz wird häufig verwendet, wenn der Stromverbrauch (kW) zu Spitzenzeiten hoch ist, die Stromverbrauchsraten (kWh) jedoch von Neben- zu Spitzenzeiten nahezu gleich sind. Peak Shaving versucht, das optimale Gleichgewicht zwischen der Reduzierung des Stromverbrauchs zu Spitzenzeiten (durch Schmelzen von Eis und Betrieb des Kühlers mit reduzierter Kapazität) und der Vermeidung eines signifikanten Anstiegs des Stromverbrauchs außerhalb der Spitzenzeiten (was passiert, wenn der Kühler bei der Eisherstellung betrieben werden muss) zu finden Modus).
Alternativ sollte das System jeden Tag so viel Eis wie möglich schmelzen, um den Stromverbrauch zu Spitzenzeiten zu reduzieren. Dieser als „Lastverschiebung“ bezeichnete Ansatz wird üblicherweise verwendet, wenn der Stromverbrauch (kWh) zu Spitzenzeiten deutlich höher ist als der Verbrauch zu niedrigen Spitzenzeiten. Die Lastverschiebung versucht, den Stromverbrauch zu Spitzenzeiten so weit wie möglich zu reduzieren, indem das gesamte Eis während der Spitzenzeiten geschmolzen und der Kühlerbetrieb in die Nebenzeiten verschoben wird.
Obwohl es möglich ist, dass ein System, das für die Spitzenlast ausgelegt ist, die gleiche Eisspeicherkapazität wie ein System hat, das für die Lastverschiebung ausgelegt ist, werden diese beiden Systeme unterschiedlich gesteuert.
Neben der Senkung der monatlichen Betriebskosten besteht ein weiterer potenzieller Vorteil der Eisspeicherung darin, die Größe und Kapazität der mechanischen Kühlgeräte zu reduzieren.
Wenn die Eisspeicherung verwendet wird, um die gesamte oder einen Teil der Auslegungskühllast (oder im schlimmsten Fall) zu decken, kann der Kühler möglicherweise verkleinert werden, solange der verkleinerte Kühler genügend Zeit hat, das Wasser in den Tanks wieder einzufrieren.
Kleinere, elektrisch angetriebene Kühler können auch zu einer geringeren Stromversorgung des Gebäudes führen, was auch die Installationskosten senken kann.
Mögliche Vorteile
- Niedrigere Nebenkosten
- Geringerer Stromverbrauch zu Spitzenzeiten (kWh)
- Niedrigerer Strombedarf zu Spitzenzeiten (kW)
- Kleinere Gerätegröße
- Kleiner Kühler
- Kleinere Elektroinstallation (A)
- Reduzierte Installationskosten
- Kann sich für Versorgungsrabatte oder andere Anreize qualifizieren
Während die Eisspeichertanks zu den Installationskosten des Systems beitragen, können die Auswirkungen der Verkleinerung der mechanischen Kühlausrüstung einige (oder alle) dieser zusätzlichen Kosten ausgleichen. Darüber hinaus bieten einige Energieversorgungsunternehmen Rabatte oder andere Anreize, wenn Eisspeicher verwendet werden, um den Strombedarf zu Spitzenzeiten zu reduzieren. Wenn diese Anreize verfügbar sind, kann das Hinzufügen von Eisspeicher sogar die installierten Gesamtkosten des Systems reduzieren.
Bei einigen Installationen kann jeder dieser Vorteile verwirklicht werden. Bei anderen Installationen treten jedoch möglicherweise einer oder mehrere nicht auf. Beispielsweise kann das Hinzufügen eines Eisspeichers die Betriebskosten senken, aber die verfügbare Zeit zum erneuten Einfrieren des Wassers in den Tanks kann so kurz sein, dass der Kühler dieselbe Größe behalten muss, um das Wasser schnell genug einzufrieren.
Referenz
TRC019-EN Ice Storage Systems
