Dr. Daniel Carbonell

Eine Solar-Eis-Heizung wurde im Rahmen eines Pilot- und Demonstrationsprojekts ausgelegt und erstellt. Die Heizung versorgt seit 2017 ein Wohn- und Gewerbegebäude mit 2050 m² Energiebezugsfläche mit Raumwärme und Warmwasser. Die Hauptkomponenten der Heizung sind 120 m² unverglaste, spektral selektive Solarwärmekollektoren, ein Eisspeicher mit 210 m³ Volumen, und eine zweistufige Sole-Wasser-Wärmepumpe mit 45 kW thermischer Leistung (B0/W35). Die Wärmetauscher im Eisspeicher werden im Winter periodisch enteist und konnten deswegen mit geringer Übertragungsfläche ausgelegt werden.

Ziel des Projekts HT-PCM ist der experimentelle Nachweis dafür, dass «PCM-Slurry», bestehend aus der flüssigen und festen Phase eines Phasenwechselmaterials (PCM) für Energiespeicherung im Temperaturbereich zwischen 110°C und 160 °C verwendet werden kann. Das Speicherkonzept ist so konzipiert, dass es in Kombination mit Solarthermie-Kollektoren Prozesswärme für die Industrie aus Sonnenenergie bereitstellen kann. Die «PCM-Slurry» Speicherlösung soll zur Kostensenkung beitragen, da keine Wärmetauscher im Speicher benötigt werden. Dadurch soll eine Energiedichte (latente Wärme) im Bereich von 80 kWh pro m³ Speichervolumen zu einem niedrigeren Preis erreicht werden als beim Einsatz von synthetischem Öl.

In diesem Projekt entwickeln wir Planungsmethoden und Regelungsstrategien für Solarenergieareale. Das Ziel ist, Solarenergie, Speichertechnologien und die thermische und elektrische Vernetzung von Gebäuden optimal zu nutzen. Ein Fokus liegt auf der Wärmeversorgung im Winterhalbjahr und dabei auf Alternativen zu konventionellen Luft/Wasser-Wärmepumpen- und Erdsonden-Wärmepumpensystemen. Durch das konsequente Nutzen von Synergien und Sektorkopplung auf Arealebene soll es gelingen, den CO2-intensiven Winterstromverbrauch zu senken und eine hohe Flexibilität für die Interaktion mit dem Stromnetz zu ermöglichen.

Der technische Ansatz besteht in der Entwicklung effizienter Rechenmodelle, mit welchen a) in der Planungsphase eine grosse Anzahl von Systemvarianten bezüglich unterschiedlicher Zielfunktionen (Kosten, Emissionen, Netzflexibilität) verglichen werden können und b) effiziente modellprädiktive Regelungsstrategien für die Arealebene identifiziert werden können.

Im Projekt Ice-Grid werden mögliche Einsatzgebiete von Eisspeichern in thermischen Niedertemperatur-Netzen untersucht. In Kombination mit anderen Speichern können Eisspeicher die Verfügbarkeit von Wärme oder Kälte zeitlich verschieben. Da latente Wärme bei 0 °C gespeichert wird, sind Eisspeicher insbesondere im Hinblick auf steigenden Kühlbedarf in Zukunft interessant. Für Netzkonfigurationen mit begrenzten Quellen, wie zum Beispiel Abwärme auf tiefem Temperaturniveau, wird die Integration von Eisspeichern zur Netzerweiterung geprüft. Für die Analysen werden generische Niedertemperaturnetze simuliert und verschiedene Varianten untersucht.

In OptimEase wird eine Simulationsumgebung entwickelt welche die energetische Optimierung einer Gruppe von Gebäuden unter Berücksichtigung von Synergien durchführt. Durch den Vergleich der optimalen Lösung einer Gruppe von Gebäuden mit der Summe der optimalen Lösungen von Einzelgebäuden wird der ökonomische und ökologische Vorteil der Optimierung von Gebäudegruppen aufgezeigt.

Das Thermokline-Konzept ist ein kosteneffizientes thermisches Speichersystem, das in der Lage ist Investitionskosten bei solarthermischen Kraftwerken mit Strahlungsbündelung (concentrated solar power, CSP) bis zu 40 % zu senken. Das Ziel dieses Projekts ist es neue Thermokline-Konzepte zu entwickeln, die in verschiedenen CSP-Kraftwerken anwendbar sind. Detaillierte Simulationen zweier Thermokline-Konzepte werden mit Messdaten, die innerhalb dieses Projekts gewonnen werden, validiert werden. Basierend auf den Simulationsanwendungen werden beide Konzepte bezüglich ihrer Systemintegration und Einsparungen bei den Stromgestehungskosten sowohl auf CSP-Systemebene als auch ihrer Hochskalierung für die angestrebten CSP-Anwendungen bewertet und optimiert werden.

Die Verringerung der Wärmeverluste bestehender Wohngebäude durch Sanierung der Gebäudehülle ist ein wichtiger Schritt, um den Heizwärmebedarf der Gebäude zu senken. Im EU-Projekt PLURAL werden vorgefertigte Fassadenmodule entwickelt und getestet, welche neuartige Möglichkeiten zur Energieerzeugung, Wärme-/Kälteabgabe und Belüftung mit der Fassade ermöglichen. Die Vorfertigung der Fassadenmodule soll eine schnelle und kostengünstige Sanierung im bewohnten Zustand ermöglichen. Mit drei Feldanlagen werden Sanierungen in verschiedenen europäischen Klimata beispielhaft aufgezeigt. Mit Simulationen werden Komponenten und Gebäude analysiert, eine Plattform zur Verwaltung von Big-Data und ein Instrument zur Entscheidungsfindung bei der Komponentenauswahl und -integration werden entwickelt.

Das Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter dem Grant Agreement No. 958218 gefördert.

Im Projekt "Slurry-Hp I" haben wir das Potenzial der Kostensenkung durch die Verwendung der Eisbrei-Technologie mit der Unterkühlungsmethode für Solareisanwendungen aufgezeigt. Erste Arbeiten mit Wärmetauschern zur Unterkühlung von Wasser wurden im Projekt "Slurry-Hp II" durchgeführt und werden derzeit im Rahmen des EU-Projektes "H2020 TRI-HP" weiter entwickelt. Das Projekt "Slurry Store" wird an der Entwicklung eines Eisbrei-Speicher-Konzepts für diese Anwendung arbeiten. Es werden verschiedene Möglichkeiten für die Beladung (Vereisung) und Entladung (Schmelzen) des Eisbrei-Speichers experimentell getestet und ein Speicherkonzept entwickelt. Zu guter Letzt wird eine Kristallisationseinheit für die gezielte und kontrollierte Nukleation von unterkühltem Wasser zu Eis (Cristallizer) entwickelt um die kontinuierliche Eisbreiproduktion im Labor Setup mit einer Leistung von bis zu 5 kW zu ermöglichen.

Im Projekt SolResHC werden Forschungsfragen zum IEA PVPS Task 16 bezüglich «Solar Resource for High Penetration and Large Scale Applications» bearbeitet.

Spezifisch werden Auswirkungen verschiedener Wetterszenarien auf solares Heizen und Kühlen ermittelt. Es werden Simulationen für diverse Zukunftsszenarien durchgeführt, um die Auswirkungen der Wetterdaten auf die energetische Effizienz unterschiedlicher Systeme zu ermitteln, welche Heizwärme-, Kühl-, Warmwasser- und zum Teil den Strom-Bedarf für ein Mehrfamilienhaus generieren.

Weiter wird eine Bewertung des Einflusses einer hohen Einspeisung von PV und erneuerbaren Energien auf das Stromnetz der Schweiz durchgeführt. Dabei werden insbesondere die Auswirkungen auf den Strompreis berücksichtigt.

In SolSimCC wurden die Auswirkungen des Klimawandels und des Nutzerverhaltens auf die Profitabilität von Solaranlagen (Photovoltaik und Solarthermie) untersucht. Die Resultate zeigen nur eine geringfügige Beeinflussung der Profitabilität der Solaranlagen durch den Klimawandel. Zwei Veränderungen erhöhen jedoch die Profitabilität von Solarthermieanlagen deutlich: Zum einen der Ersatz von Erdgas durch teureres Biogas oder Syngas, und zum anderen die Annahme von realistischeren Wärmeverbrauchsprofilen an Stelle der heute in Simulationen oft verwendeten idealisierten Profile.

Das Projekt «Chancen durch Solarwärme und thermische Energiespeicher für das Energiesystem Schweiz 2050» beantwortet die Frage nach dem Potenzial von Solarwärme in Kombination mit thermischen Energiespeichern in der Schweiz, identifiziert die bestmöglichen Einsatzgebiete, bewertet die Chancen und Risiken und erarbeitet schließlich eine Roadmap zur Förderung und zum Ausbauen dieser Technologien. Ziel ist dabei der grösstmögliche Beitrag zur Energiestrategie 2050, wobei gerade auf einen realistischen Implementationsprozess Wert gelegt wird.

Das Hauptziel des TRI-HP-Projekts ist die Entwicklung und Demonstration flexibler, energieeffizienter und erschwinglicher Tri-Generationssysteme (Tri = Heizung, Kühlung und Strom). Diese innovativen Systemlösungen werden die Systemkosten um mindestens 10 – 15 % im Vergleich zu aktuellen Wärmepumpentechnologien mit gleichwertigen energetischen Leistungen senken. Die Systeme basieren auf elektrisch angetriebenen, natürlichen Kältemittelwärmepumpen, die mit erneuerbaren Stromerzeugern (Photovoltaik) gekoppelt sind, und nutzen Eisbreispeicher (Ice-Slurry), Wärme und Stromspeicher, um Wärme, Kälte und Strom für Mehrfamilienhäuser mit einem erneuerbaren Anteil von 80 % vor Ort bereitzustellen.

The project is lead by SPF and supported by the research programme H2020 of the European Union – grant agreement ID: 814888

Ziel des Projekts ist es, das Potenzial von Solar-Eis-Systemen für Mehrfamilienhäuser mit möglicher Einbeziehung des Kühlbedarfs zu bewerten. Besonderes Augenmerk wird auf die Quantifizierung der Energieeffizienz mit verschiedenen hydraulischen Konfigurationen und Wetterdatensätzen an mehreren Schweizer Standorten gelegt. Hunderte von transient-dynamischen Simulationen in TRNSYS werden verwendet, um die Jahresarbeitszahl unter verschiedenen Randbedingungen zu berechnen. Des Weiteren sollen in diesem Projekt mit Hilfe von maschinellem Lernen, basierend auf Daten aus den TRNSYS-Simulationen, schnelle Algorithmen für Auslege-Hilfsmittel entwickelt werden.

Das Ziel des Projektes Slurry HP II ist die Demonstation von Wärmetauscherkonzepten, die aufgrund eisabweisender Beschichtungen mit unterkühltem Wasser (unter 0 °C) betrieben werden können. Dabei soll Wasser in Wärmepumpenverdampfern unter den Gefrierpunkt unterkühlt und später als Eisbrei unter Abgabe seiner Latentwärme in einem Eisspeicher gelagert werden. Das innovative Konzept könnte für Solar-Wärmepumpen-Heizungen mit Eisspeichern eine Kostenreduktion von ca. 10 % bewirken. Die Kostenreduktion soll durch den Wegfall der Wärmetauscher aus dem Eisspeicher und durch das Speichern von Eis in Form von Eisbrei (Slurry) erreicht werden.

The goal of the present project is to analyse the technical and economic feasibility of a solar-ice system based on a super-cooling slurry heat pump. The system should achieve higher electricity savings and overall system performance with a comparable return on investment with respect to state-of-the-art ground source heat pump and solar-ice solutions. The anticipated efficiency increase is based on the super-cooler heat exchanger which is always free of ice. The anticipated cost reduction is based on the use of very simple storage vessels that do not need build-in heat exchangers.

Slurry-HP wird unterstützt durch das Bundesamt für Energie (BFE).

Eisspeicher sind in Kombination mit Solarwärme und Wärmepumpen (Solar-Eis-Systeme) eine vielversprechende Technik für die Bereitstellung von Warmwasser und Raumwärme. Für das optimale Design der Eisspeicher, insbesondere der Wärmetauscher, sind jedoch noch viele Fragen offen. Im Projekt IceEx werden Wärmetauscher-Konzepte für Eisspeicher in Kombination mit Solarwärme analysiert. Auf dem Markt verfügbare oder kürzlich entwickelte Wärmetauscherkonzepte werden sowohl experimentell als auch simulationstechnisch untersucht um ein optimales Design zu finden. Transiente Jahressimulationen dienen der Bestimmung der Systemeffizienz über das ganze Jahr.

Dieses Projekt wird unterstützt durch das Bundesamt für Energie (BFE).