Aufstellung Kaltwasserspeicher, Bild: Fraunhofer IISB

Aufstellung des vakuumisolierten Kaltwasserspeichers vor dem Reinraumlabor am Fraunhofer IISB in Erlangen. Der Speicher ist mit einem Ladevolumen von 80 Kubikmetern in seiner Größenklasse derzeit weltweit einmalig und dient der Optimierung der Kälteinfrastruktur. Bild: Fraunhofer IISB

Der vakuumisolierte Kaltwasserspeicher wird im Rahmen des Energieforschungsprojektes SEEDs eingesetzt, um die Effizienz der Kaltwasserversorgung für die Kühlung der umfangreichen Prozessanlagen und Labore am Fraunhofer IISB zu erhöhen.

Mit der Einbindung des Speichers in die Versorgungsinfrastruktur entsteht zugleich eine wichtige Schnittstelle zwischen Forschungsaktivitäten und Praxisbetrieb. Die Modifikation des Kältekreislaufes und dessen intelligente Verknüpfung mit dem energetischen Gesamtsystem ist ein weiterer Schritt beim Ausbau des Instituts als Demonstrationsplattform für umfassende Energieeffizienz.

Dabei wird am Fraunhofer IISB die gesamte Kette der Energienutzung in einem industriell vergleichbaren Maßstab betrachtet und im praktischen Selbstversuch optimiert.

Energieforschung im Selbstversuch

Ein wesentlicher Aspekt im Energieforschungsprojekt SEEDs ist die Integration innovativer Energietechnik in die Versorgungsinfrastruktur des Fraunhofer IISB auf Systemebene. Alle Komponenten müssen sich unter realen Betriebsbedingungen bewähren und werden beispielsweise sehr genau auf ihre Zuverlässigkeit und die tatsächlich realisierbaren Effizienzgewinne untersucht.

Die direkte Verbindung mit der vorhandenen und im laufenden Betrieb genutzten Infrastruktur unterscheidet die Entwicklungen des Projekts SEEDs deutlich von klassischen Labordemonstratoren. Der neue Kaltwasserspeicher ist ein gutes Beispiel für dieses visionäre experimentelle Konzept, da er großen Einfluss auf die zentrale Kälteversorgung des Instituts und damit auf sensible Kühlsysteme, wie zum Beispiel das des institutseigenen Reinraums, nimmt und gleichzeitig als Forschungsobjekt dient.

Effizienzgewinne durch flexiblen Betrieb

Vakuumisolierte Kaltwasserspeicher, Bild: Kurt Fuchs/Fraunhofer IISB
Das Fraunhofer IISB wird im Energieforschungsprojekt SEEDs als Demonstrationsplattform für Energieeffizienz ausgebaut. Der vakuumisolierte Kaltwasserspeicher erhöht dabei die Effizienz der Kaltwasserversorgung für die Kühlung von Prozessanlagen und Laboren am IISB. Bild: Kurt Fuchs/Fraunhofer IISB

Mit einem Kaltwassertank lässt sich die energieintensive Kältebereitstellung prinzipiell in die Nachtstunden verlagern. Die geringeren Außentemperaturen bedingen dann eine größere Temperaturspreizung zwischen der über die Rückkühlwerke abzuführenden Abwärme der Kältemaschinen und der Außenluft, was günstigere Arbeitspunkte für den Betrieb der Kälteanlagen ermöglicht.

Das in der Nacht heruntergekühlte Wasser wird im Pufferspeicher vorgehalten und zu den Spitzenlastzeiten am Tag bereitgestellt. Im Ergebnis steigt die Gesamteffizienz, so dass für die Kälteversorgung am Fraunhofer IISB eine Einsparung von jährlich 15 Prozent – bezogen auf den elektrischen Energieeinsatz – prognostiziert werden kann.

Gut – besser – Vakuum

Im Gegensatz zu Wärmespeichern gibt es bislang so gut wie keine wissenschaftlichen Untersuchungen zu großen Kaltwasserspeichern mit Vakuumisolation. Gerade für Kälte­anwendungen sind höchste Isolationsgüte und geringe thermische Verluste entscheidend. Bereits eine geringe Erwärmung des Wassers führt zu einer deutlichen Verringerung der Speicherkapazität.

Für einen effizienten Betrieb des Kältesystems sind jedoch möglichst hohe Pufferkapazitäten anzustreben und Verluste im Speicher unbedingt zu vermeiden. Durch die hier verwendete Vakuumisolation lassen sich auch vergleichsweise einfach zu installierende oberirdische Tankspeicher ohne aufwändige bauliche Maßnahmen verlustarm im Freien betreiben.

Speicher vorausschauend nutzen

Neben einer möglichst guten thermischen Isolation des Speichers bedarf es jedoch ausgeklügelter Betriebsstrategien, um die angepeilten Effizienzgewinne auch praktisch umsetzen zu können. Dafür wird eine am Fraunhofer IISB entwickelte intelligente Steuerung für das Speichersystem sorgen.

Für einen möglichst wirtschaftlichen Einsatz des Speicher­volumens lassen sich beispielsweise Kälte-Lastprofile aus Energie­monitoringdaten erstellen und Lastspitzen identifizieren. Daraus abgeleitete Prognosen für die Kältelast am nächsten Tag, die auch Wetterdaten berücksichtigen, ermöglichen den Betrieb der Kältemaschinen und das Beladen des Kältespeichers zum jeweils günstigsten Zeitpunkt.

Ein dynamischer Abgleich mit den tatsächlichen, in der Praxis gemessenen Verbrauchsdaten erlaubt wiederum eine stetige Verbesserung der Betriebsstrategien.