Relevante Energieformen
| Endenergieform | Nutzenergieform | Nebenenergieform(en) |
| Elektrischer Strom | Wärme (T<100°C), Wärme (T>100°C) | Kälte (<25°C) |
Kurzbeschreibung
Physikalisches Prinzip: Magnetokalorischer Effekt
(Phänomen, bei dem durch ein äußeres Magnetfeld H die Temperatur einer magnetischen Substanz variiert oder Wärme zu- bzw. abgeführt werden kann)
Prozesschritte:
- Das magnetokalorische Material wird in das Magnetfeld hinein transportiert, wo es sich aufheizt.
- Dem Material wird Wärme entzogen (Nutzung zur Beheizung)
- Das Material wird wieder aus dem Magnetfeld hinaus bewegt und kühlt sich dabei ab
- Wärme wird von einer Wärmequelle (auf einem tieferen Temperaturniveau) zugeführt.
Typische Materialien:
- 5:4 Gadolinium-Silicon-Germanium
- Manganite
- Lanthanum-Iron-Silicon
- Manganese-Antimony Arsenide
- Iron-Manganese-Arsenic Phosphides
- Calorivac (Vakuumschmelze GmbH & Co. KG)
Eine Möglichkeit, magnetokalorische Wärmepumpen technisch umzusetzen ist ein poröser, rotierender Zylinder aus magnetokalorischem Material, der vom Wärmeträgermedium durchflossen wird. Das Magnetfeld befindet sich dabei nur in der unteren Hälfte des Zylinders, wo es das Material und somit auch das Wärmeträgermedium aufheizt (1-2). Im oberen Bereich kühlt sich der rotierende Zylinder wieder ab und wird durch das von der Wärmequelle zugeführte Fluid durchströmt (3-4). Das sich aufheizende und sich abkühlende Fluid fließen hier im Gegenstromprinzip durch die Wärmepumpe.
Diese Bauform wurde auch bei der ersten kommerziell erhältlichen Wärmepumpe dieser Art eingesetzt. (Greenhouse Media 2017; WIRMAG 2018)
Eine andere Bauform, die in einigen Pilotanlagen angewendet wurde sind Hubkolben, die das magnetokalorische Material durch ein Magnetfeld hin- und her bewegen [Yu 2010].
Funktionsskizze
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
Leistungszahl 
(auch: Coefficient of Performance (COP)):
![\[{\rm{\varepsilon }} = \frac{{{{{\rm{\dot Q}}}_{{\rm{Heiz}}}}}}{{{{\rm{P}}_{{\rm{el}}}}}}\]](https://technologiematrix.synergie-projekt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-ab437de128e874d150c8efb20d2fa2a6_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Beschreibt das Verhältnis aus eingesetzter elektrischer Leistung (
) und der genutzten thermischen Energie auf hohen Temperaturniveau (
). Die Leistungszahl ist immer abhängig vom aktuellen Betriebspunkt. Zur Ermittlung der mittleren Effizienz einer Wärmepumpe über einen längeren Zeitraum wurde die Jahresarbeitszahl definiert:
(Wolf, Fahl, Blesl, Voß, Jakobs 2014)
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Rotierender Wärmetauscher | Hubkolben |
| Minimale Länge eines Betriebszyklus (Inverse Schalthäufigkeit) | 0,06-0,8 Hz | 0,2-1 Hz |
Energetische Kennwerte
| Bauart | Rotierender Wärmetauscher | Hubkolben |
| Verfügbare Leistungsstufen/
-klassen |
Bis 12 kW kommerziell verfügbar (WIRMAG 2018) | Bis 0,6 kW, nur Prototypen (Wolf, Fahl, Blesl, Voß, Jakobs 2014) |
| Verfügbare Temperaturniveaus | Bis 90°C (Greenhouse Media) | |
| Leistungszahlen | COP = 4,9 (Bei 8 kW Heizleistung, 0°C/35°C, 5 Hz Betriebsfrequenz, rotierender WT), (Egolf, Gendre, Kitanovski, Sari 2006)
Normnutzungsgrad = 120 % (WIRMAG) |
|
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Rotierender Wärmetauscher | Hubkolben |
| Nutzenergiekosten / kWh | Abhängig vom Strompreis | |
| Investkosten/kW | Ca. 10.000 €/ 12 kW = 833 €/kW (Greenhouse Media)
Ca. 8.700 € / 8 kW = 1090 €/kW ( Egolf, Gendre, Kitanovski, Sari 2006) |
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Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse
| Technologieattratktivität | Industrielle Umsetzbarkeit | Umsetzbarkeit | Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein) | |
| Komplexität | Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich) | |||
| Anwendbarkeit bei Industriepartnern | Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein) | |||
| Einsatzhäufigkeit und Verbreitung | Energetischer Impact | Hat die Technologie typischerweise einen bedeutenden Anteil am Strombedarf eines Fabrikbetriebes? (Grün = Tendenziell ja, Gelb = eher nicht, Rot = Nein (weil z.b. andere Energieträger)) | ||
| Verbreitung in Deutschland | Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig) | |||
| Umrüstaufwand und Integration | Technology Readiness Level | Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3) | ||
| Grad der Prozessentkopplung | Wie stark beeinflusst die Anlage in der Regel den Hauptprozess? (Grün = Zwischen der Anlage und dem Hauptprozess befindet sich i.d.R. ein Speicher oder Netz, Gelb = Anlage ist tendentiell nahe am Prozess verbaut, Rot = Anlage hat i.d.R. direkt Einfluss auf den Prozess) | |||
| Möglichkeit des Energieträgerwechsels | Ist ein Energieträgerwechsel möglich? (Grün = Ja in der gleichen Anlage, Gelb = Mit einer zweiten Anlage, Rot = Nein) | |||
| Umrüstaufwand | Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Grün = noch) | |||
| Ressourcenstärke | Übertragbarkeit | Übertragbarkeit | Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch) | |
| Wirtschaftlichkeit | Erschließungskosten der Maßnahme | Wie hoch sind die spezifischen Investitionshöhen (Grün = niedrig (z.B. nur andere Regelungsart), Gelb = mittel, Rot = hoch (z.B. teure zweite Anlage muss installiert werden) | ||
| Spezifische Wandlerkosten | Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig, Gelb = mittel, Rot = hoch) | |||
| Abrufkosten der Maßnahme | Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher) | sehr stark fallabhängig |
Best Available Technology
Nein – Prinzipiell ist es zwar denkbar, dass magnetische Wärmepumpen Energieflexibilität bereitstellen können. Allerdings ist der Entwicklungsstand und die Verbreitung dieser Technologie noch zu gering, um ein großes Energieflexibilitätspotenzial bieten zu können.
Entwicklungstendenz
Das Potential für Verbesserungen der Materialien durch Neuentdeckungen (z.B. Super-Paramagnetismus bei Raumtemperatur) und der Steigerung der magnetischen Feldstärke von Permanentmagneten ist als sehr günstig zu beurteilen. (Yu, Liu, Egolf, Kitanovski 2010)
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- keine problematischen Arbeitsmitteln, nur Luft und Wasser
- Lärmfreie Maschine
- Sehr hohe Wirkungsgrade (höher als in konventionellen Zyklen wegen der Reversibilität des magnetokalorischen Effekts, falls keine Hysterese auftritt)
- Einfache Konstruktion möglich (jedoch hohe Präzision und Stabilität des Rades bei kleinen Luftspalten im Magneten erforderlich)
- Hohe Lebensdauer bei guter Wartung (Unterhalt einfach)
- Niedrige Druckverluste (Maschinen läuft bei atm, Vorteil für die HLK-Techniken oder Kälteanlagen in Automobilen)
(Egolf, Gendre, Kitanovski, Sari 2006)
Nachteile
- Starke Magnetfelder mit noch unbekannten Auswirkungen auf lebende Organismen
- Abschirmungen notwendig, um Störungen elektronischer Komponenten zu vermeiden
- Temperaturdifferenzen der magnetokalorischen Materialien sind gering (deshalb sind oft Kaskaden und/oder Regenerationssysteme erforderlich)
(Egolf, Gendre, Kitanovski, Sari 2006)
- Kommerziell erhältliche Produkte haben bisher noch zu geringe Wirkungsgrade
(WIRMAG 2018)
Anwendungsbeispiele
Magnetokalorischer Weinkühler (BASF 2016)
Literaturverzeichnis
- BASF (2016): Premiere für zukunftsweisendes Kühlgerät auf der CES 2015 Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- Egolf, P. W., Gendre, F., Kitanovski, A., & Sari, O. (2006): Machbarkeitsstudie für magnetische Wärmepumpen: Anwendungen in der Schweiz. Schlussbericht des Projektes zuhanden des Bundesamtes für Energie, (100873/151017), 1-67.
- Greenhouse Media GmbH(2017) Sind magnetokalorische Wärmepumpen serienreif? Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- WIRMAG GmbH (2018): Die Magnet-Wärmepumpe. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 30.07.2019
- Wolf, S.; Fahl, U.; Blesl, M., Voß, A.; Jakobs, R. (2014): Analyse des Potenzials von Industriewärmepumpen in Deutschland. Hg. v. Universität Stuttgart.
- Yu, B., Liu, M., Egolf, P. W., & Kitanovski, A. (2010): A review of magnetic refrigerator and heat pump prototypes built before the year 2010. International Journal of refrigeration, 33(6), 1029-1060.