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SI/502289
SunStore – Latenter, kompakter Pufferspeicher für mit Photovoltaik betriebene Wärmepumpen
Zusammenfassung
Im Projekt SunStore werden neuartige, auf Phasenwechselmaterial (PCM) basierte Pufferspeicher für Wärmepumpensysteme in vier Pilotanlagen eingebaut, getestet und evaluiert. Das PCM wird in modifizierten high-density Polyethylen (HDPE), blasgeformten Kapseln als Schüttgut in die Pufferspeicher gefüllt. Im Projekt sollen insbesondere die Vorteile von PCM-Speichern im Bezug auf das Erreichen eines hohen Eigenverbrauchs von PV-Strom in Kombination mit Wärmepumpen untersucht werden, was die Wirtschaftlichkeit der PV-Installation verbessern und ebenfalls einen netzdienlichen Betrieb ermöglichen kann. An den vier Pilotanlagen mit unterschiedlichen Randbedingungen, unter anderem Neubau und Sanierung, Kombination mit Batteriespeicher und Nachrüstung von PCM in bestehenden Pufferspeichern werden umfangreiche Erfahrungen zum Einsatz von PCM im realen Betrieb über drei Heizperioden ausgewertet und der Anlagenbetrieb optimiert. Dies kann die Marktverbreitung der PCM Speicher und von Systemlösungen beschleunigen.
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Publikationen / Ergebnisse
Speichermaterialien, die den Phasenwechsel zwischen flüssigem und festem Aggregatszustand nutzen, können viel Energie aufnehmen und abgeben. Mit ihnen lassen sich Speicher bauen, die im gleichen Volumen deutlich mehr Wärme puffern als ein Warmwasserboiler. Ein vom Bundesamt für Energie (BFE) gefördertes Pilotprojekt hat das Speicherkonzept in einem Bündner Einfamilienhaus getestet. Mit den Erfahrungen aus der praktischen Erprobung konnte ein neuartiger Kompaktspeicher entwickelt und auf den Markt gebracht werden.
Schlussbericht
Ziel des Projekts ist die Bewertung eines neuen, auf makroverkapseltem PCM beruhenden Speicherkonzepts in einer Pilotanlage über vier Heizperioden. Die PCM-Kapseln auf Salzhydratbasis können in bestehenden Wasserspeichern nachgerüstet werden und die Speicherkapazität basierend auf Stoffwertbetrachtungen um den Faktor 2-3 erhöhen. In der Pilotanlage in Pany, GR, auf einer Höhe von 1178 m. ü. M. wurde die erste Heizperiode mit dem bestehenden, wassergefüllten Heizungspufferspeicher als Referenz gemessen und für die Heizperioden 2-4 unterschiedliche Ausführungen der PCM-Kapseln ausgewertet. Mit der erhöhten Speicherkapazität soll der Eigenverbrauch der installierten PV-Anlage von 17 kWp erhöht, sowie die Jahresarbeitszahl gesteigert und der Netzbezug reduziert werden. Die Ergebnisse der Heizperioden mit PCM-Kapseln gefülltem Speicher bestätigen, dass der Eigendeckungsgrad (Anteil des selbst erzeugen Stroms am gesamten Stromverbrauch) um bis zu 50% von 21% auf 35-40% gesteigert werden konnte. Der Eigenverbrauchsgrad (Anteil des selbst verbrauchten Stroms am gesamten PV-Ertrag) wird nur geringfügig beeinflusst, da gleichzeitig auch der PV-Ertrag angestiegen ist. Zudem war der Heizbedarf durch wechselnde Belegung und Aussentemperaturbedingungen in den vier Heizperioden sehr unterschiedlich, so dass sich nicht alle Effekte eindeutig zuordnen liessen. Eine Steigerung der Jahresarbeitszahl konnte in der Pilotanlage nicht beobachtet werden. Zudem zeigt der PCM-Speicher ein erhöhtes Taktverhalten, was auf die reduzierte Speicherkapazität im festen Zustand des PCM zurückzuführen ist. Eine detaillierte Betrachtung des Speicherverhaltens zeigt jedoch, dass die Speicherkapazität verglichen mit dem Wasserspeicher um bis ca. 80% zugenommen hat und die Speicherung bei tieferem Temperaturniveau erfolgt. Allerdings wurde auch die Einschränkung festgestellt, dass die Be- und Entladeleistung des mit PCM gefüllten Speichers durch limitierten Wärmeübergang zwischen dem Speicherwasser und den Kapseln begrenzt ist, was die Nutzung der gesamten Speicherkapazität einschränkt. Dies wird durch eine Speicherneuentwicklung adressiert. Aufgrund von fehlender Skalierbarkeit, Qualitätsproblemen bei den Kapseln und einer weit fortgeschrittenen Parallelentwicklung wurde Anfang 2024 entschieden, das Kapselkonzept nicht weiterzuverfolgen und durch ein neues Konzept, basierend auf einen kompakten, vollständig mit PCM gefüllten Speicher, der Compact Cell, abzulösen. Das neue Konzept ermöglicht eine sehr kompakte Speicherung im Vergleich zu Wasserspeichern. Gerade in Sanierungsanwendungen ist der Platzbedarf oft sehr knapp, so dass kein ausreichend dimensionierter Pufferspeicher eingebaut werden kann. Ein zu kleiner Speicher kann zu Problemen wie übermässiges Takten (Lebensdauerreduktion) führen. Hier bietet die Compact Cell eine Lösung, um genügend Speicherkapazität auf kleinem Raum unterzubringen. Des Weiteren ist auch ein Trinkwarmwasserspeicher in das Konzept integriert, so dass ein deutlich grösserer Anwendungsbereich adressiert wird. Das neue Produkt konnte im Zeitrahmen dieses Projekts nicht mehr in der Pilotanlage eingebaut werden, aber es sind ebenfalls Feldtests in der gleichen Anlage geplant. Die Wirtschaftlichkeit des Speichers mit den Kapseln konnte in dem Projekt nicht eindeutig nachgewiesen werden, da sich die Vergleichsperioden bezüglich Heizwämeverbrauch und PV-Ertrag sehr stark unterscheiden und auch eine grosse Abhängigkeit von den künftigen Stromtarifen besteht. Im besten Fall könnte von einer Amortisationszeit von 12 Jahren mit den hier untersuchten Tarifen ausgegangen werden.
Projektdetails
- Forschungsstelle
- BFE
- Projektstatus
- Abgeschlossen
- Projekttyp
- Forschungsprojekt
- Startdatum
- 2021-08-31
- Enddatum
- 2026-06-29
- Bewilligte Gesamtkosten
- CHF 165000.00
- Sektion
- Solarthermie und Wärmespeicherung
- NABS Politikbereich
- Erzeugung, Verteilung und rationelle Nutzung der Energie