Warmwasserspeicher mit Brennwerteffekt

Sektorkopplung anzubieten ist keine neue Sache mehr. Photovoltaikstrom wird auch zu Wärmezwecken eingesetzt oder zur Beladung von Elektroautos. Dennoch meint Smartnrgy einen neuen Weg zu gehen – über einen Abgaswärmetauscher im Speicher.
Das Gesamtsystem, das sowohl in Wohn- als auch Nichtwohngebäuden eingesetzt werden kann, besteht aus mehreren Komponenten: Photovoltaik-(PV)-Module mit einem selbst entwickelten Wechselrichter, einer Solarstrom-Batterie, einem Wärmespeicher und aus einer Motoreneinheit. Die Motoreneinheit vervollständigt das Gesamtsystem, um letztlich auch ohne PV-Strom Energie erzeugen zu können. Eine intelligente Elektronik steuert die erforderlichen Prozesse.
Die PV-Module liefern die Energie für die unabhängige Stromversorgung. Überschüssige Energie wird in erweiterbaren Stromspeichermodulen gespeichert. Zudem wird der Strom auch in Wärme für die Heizung und Brauchwasser umgewandelt.

Vorausgehende Überlegungen
Der Wärmepufferspeicher ist eine Entwicklung der Smartnrgy und geht aus unserer Sicht technisch neue Wege. In der Entwicklungsphase standen wir vor der Entscheidung, Abgaswärmetauscher im OEM-Bereich zu kaufen oder solche selbst zu bauen. Aus wirtschaftlichen, vorwiegend jedoch aus Effizienzgründen, haben wir uns für Letzteres entschieden. Denn die im Markt befindlichen Abgaswärmetauscher konnten unsere Erwartungen an einen hohen Wirkungsgrad nicht erfüllen, denn diese liegen unterhalb von 90 %.

Der Wärmespeicher
Zum Herzstück unseres Speichers wurde der eigens entwickelte und in den Speicher integrierte Abgaswärmetauscher. Die Motoreneinheit erzeugt Abgastemperaturen zwischen 550 °C und 700 °C, marktübliche Abgaseintrittstemperaturen liegen meist nur bei bis max. 550 °C.
Diese Abgastemperatur wird über ein keramikisoliertes Rohr in den Abgaswärmetauscher des nahestehenden Wärmespeichers geführt. Der Tauscher besteht aus einer eigens angefertigten Legierung, welche einerseits eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und andererseits hoch hitzebeständig ist. Weiterhin besitzt er eine überdurchschnittlich große Oberfläche, wodurch eine sehr hohe Wärmeabgabe an das umliegende Speicherwasser ermöglicht wird. Die Besonderheit des Abgaswärmetauschers ist u. a. an seinen Leis­tungsdaten erkennbar: Hohe Abgaseintrittstemperaturen verbunden mit einer geringen Abgasaustrittstemperatur (40 °C, Brennwerteffekt). Der Wirkungsgrad liegt bei 95 %, marktüblich sind 85 %. Der Wärmespeicher bietet die Möglichkeit, eine direkte Montage des Heizkreisverteilers vorzunehmen. Vorteil: Es ist keine Rohrverlegung zwischen Verteiler und Speicher notwendig und somit ideal auch bei kleinen Technikräumen. Die direkte Montage der Frischwasserstation am Speicher ist möglich.

Neuartiges Schichtsystem
Das Schichtsystem erlaubt eine Wärmeschichtung von ¾ warmen Wassers mit einem Delta T von 8 °C. Der unterste Bereich dient zur Motorkühlung und für den Brennwerteffekt des Abgaswärmetauschers. Der untere Bereich liegt daher bei ca. 30 °C. Erreicht wird dies u. a. durch eine spezielle interne Verrohrung des Vorlaufs. Eine gleichmäßige Durchströmung mit entsprechend angepasster Temperatur für den jeweiligen Bereich erfolgt durch eigens entwickelte Injektordüsen. Diese führen eine optimale Vermischung des Wärmespeichers durch. Weitere Konstruktionen trennen den warmen Bereich vom kälteren Bereich ab, erlauben jedoch eine geringe Diffusion. Durch das angesprochene Schichtsystem konnte auch die Effizienz gesteigert werden.
Durch Verwendung eines neuartigen Schichtsystems innerhalb des Speichers wird das Mehrgewicht durch den Abgaswärmetauscher wettgemacht. Das Gewicht eines Wärmespeichers spielt immer eine große Rolle. Beispiel: Der 1000 l Warmwasserspeicher Economat mit integriertem Abgaswärmetauscher hat ein Gewicht von 190 kg. Dies ermöglicht eine Einbringung ohne schweres Gerät.

Ausblick: Wasserstoff
Die heutige Motoreneinheit läuft hocheffizient und die verwendeten Bauteile, Komponenten und Elektroniken bilden die Basis für eine Weiterentwicklung, um zukünftig auf fossile Energieträger verzichten und stattdessen Wasserstoff verwenden zu können. Wir planen, mit ers­ten Anlagen in dieser Form ab 2020 auf den Markt zu gehen.

Autor: Heiko Melzer, Geschäftsführer Smartnrgy

Wirtschaftlichkeitsberechnungen (Beispiele)
Technisch machbar ist heute alles, hört man oft sagen. Doch ist das technisch Machbare auch wirtschaftlich? Zum System von Smartnrgy nachfolgend drei Wirtschaftlichkeitsberechnungen. Die Werte sind laut Unternehmen Referenzwerte realisierter Projekte aus der Praxis.

Nichtwohngebäude (Produktionsbetrieb)
Investitionssumme: 170 000 Euro
Stromverbrauch/a: 250 000 kWh
Heizöl/Gasverbrauch/a: 15 000 l
Wärmebedarf/a: 155 250 kWh
WW-Bedarf/a: 14 850 kWh
Einsparung/a: 59 000 Euro
Vollamortisation: 2,9 Jahre
Wartung: 1,5 Wartungen pro Jahr (ca. 600 Euro)
Hierbei ist laut Smartnrgy kein Tilgungszuschuss (Förderungen) berücksichtigt.

Mehrfamilienhaus
Investitionssumme: 60 000 Euro
Stromverbrauch/a: 16 500 kWh
Heizöl/Gasverbrauch/a: 10 000 l
Wärmebedarf/a: 107 375 kWh
WW-Bedarf/a: 7 425 kWh
Einsparung: 7 000 Euro
Vollamortisation: 8,6 Jahre
Wartung: 1,3 Wartungen pro Jahr (ca. 400 Euro)

Wohnhaus
Investitionssumme 40 000 Euro
Stromverbrauch jährlich 6000 kWh
Heizöl/Gasverbrauch jährlich 4000 Liter
Wärmebedarf jährlich 36 070 kWh
WW-Bedarf jährlich 2970 kWh
Einsparung jährlich 2500 Euro
Vollamortisation 16 Jahre (ca. 12 Jahre mit Förderungen)
Wartung 0,9 Wartungen pro Jahr (ca. 150 Euro)
Bei allen aufgeführten Beispielen ist laut Smartnrgy keine Strompreiserhöhung vorgesehen. Anstehende Energiepreiserhöhungen wirken sich positiv auf die Wirtschaftlichkeitsberechnung aus.

Alle Angaben von Smartnrgy

Steckbrief Komponenten
Smartnrgy verwendet monokristalline und polykristalline Module im Leistungsbereich von 275-310 Wp. Darüberhinaus können Glas/Glas-Module und In-Dach-Module angeboten werden. Standardmäßig verwendet Smartnrgy ein Stromspeichermodul aus Lithium-Eisenphosphat (LiFePo4). Beginnend mit einer Leis­tung von 5 kWh ist dieser erweiterbar bis zu einer Leistungsgröße von 96 kWh.
Speziell entwickelter Wechselrichter: Wechselrichter sind üblicherweise für PV-Strom ausgelegt. Smartnrgy kann seinen Wechselrichter auch an erzeugten Generatoren-Strom anschließen. Ein String für PV, der zweite String für den Generator.
Die Motoreneinheit besteht aus einem Gas- oder Heizölmotor mit angeschlossenem Generator und läuft nur bei Bedarf, wenn die Eigenversorgung nicht ausreicht. Die Leistungsklasse erstreckt sich von 4-70 kWel und 10-150 kWth.