Doku dazu
This commit is contained in:
Michael Stangl
@@ -0,0 +1,85 @@
|
||||
# 1 – Energiemengen & Thermodynamik
|
||||
|
||||
Grundlagen-Zusammenfassung zur Wärmerückgewinnung aus der Milchkühlung. Referenzfall durchgängig: **1000 L Milch/Tag**.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 1.1 Wärmeinhalt der Milchkühlung
|
||||
|
||||
Milch fällt mit Eutertemperatur an und muss zur Haltbarmachung gekühlt werden. Die dabei entzogene Wärme ist die nutzbare Abwärme.
|
||||
|
||||
| Größe | Wert |
|
||||
|---|---|
|
||||
| Temperaturhub | 37 °C → 4 °C (ΔT = 33 K) |
|
||||
| Stoffannahme | Milch ≈ Wasser (ρ = 1 kg/L, c = 4,186 kJ/kg·K) |
|
||||
| Formel | Q = m · c · ΔT |
|
||||
|
||||
**Ergebnis:** Q = 1000 · 4,186 · 33 = 138.138 kJ ≈ **38,4 kWh/Tag**
|
||||
|
||||
Skalierung: 1500 L → ~57,5 kWh/Tag. Die Abwärme fällt **täglich ganzjährig** an (~14.000 kWh/a).
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 1.2 Reinigungs-/Desinfektionswasser
|
||||
|
||||
Das Leitungssystem (~100 m, mehrere Pumpvorgänge für ~8 Melkplätze) muss mit heißem Wasser desinfiziert werden.
|
||||
|
||||
| Größe | Wert |
|
||||
|---|---|
|
||||
| Menge | 200 L |
|
||||
| Temperaturhub | 50 °C → 100 °C (ΔT = 50 K) |
|
||||
| Q | 200 · 4,186 · 50 = 41.860 kJ ≈ **11,6 kWh** |
|
||||
|
||||
Weil der Tank durch die Milchabwärme bereits bei 50 °C startet, halbiert sich der Heizbedarf gegenüber Kaltwasser (10 °C → ~21 kWh). Die Milchabwärme deckt den Desinfektionsbedarf damit vollständig.
|
||||
|
||||
> Noch nicht enthalten: Rohrleitungsverluste (je nach Dämmung +10–30 %). Dafür wären Rohrdurchmesser und Dämmung nötig.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 1.3 PV-Panel-Kühlung / PVT-Ertrag
|
||||
|
||||
Mit rückseitigen Wassertaschen (PVT) lässt sich die Abwärme der Module nutzen.
|
||||
|
||||
**Energiebilanz Modul (Sommerspitze, ~1000 W/m² Einstrahlung):**
|
||||
- ~18–20 % Strom (~180–200 W/m²)
|
||||
- ~800 W/m² Wärme, davon über die Frontseite ein großer Teil verloren
|
||||
- Unverglaster PVT, niedrige Vorlauftemperatur: **~400–500 W/m² thermisch nutzbar**
|
||||
|
||||
**Monatlicher Wärmeertrag, 10 m², optimale Südneigung, Raum Augsburg:**
|
||||
|
||||
| Monat | kWh | Monat | kWh |
|
||||
|---|---|---|---|
|
||||
| Jan | 75 | Jul | 825 |
|
||||
| Feb | 145 | Aug | 730 |
|
||||
| Mär | 350 | Sep | 510 |
|
||||
| Apr | 565 | Okt | 270 |
|
||||
| Mai | 745 | Nov | 90 |
|
||||
| Jun | 800 | Dez | 55 |
|
||||
|
||||
**Summe ≈ 5.160 kWh/a thermisch** (~516 kWh/m²·a, oberer realistischer Bereich bei ganzjähriger Abnahme) plus ~1.500–1.800 kWh/a Strom.
|
||||
|
||||
> Vorbehalt: Werte gelten nur bei kaltem Kühlwasser. Steigt die Vorlauftemperatur oder fehlt der Abnehmer, brechen die Sommerwerte ein.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 1.4 Natriumacetat als Latentwärmespeicher (PCM)
|
||||
|
||||
### Speichermechanismus
|
||||
|
||||
Im **festen** Zustand liegt Natriumacetat-Trihydrat (CH₃COONa·3H₂O) als geordnetes Kristallgitter mit eingebautem Kristallwasser vor. Beim Erwärmen auf ~58 °C bricht das Gitter auf – das Salz „löst sich in seinem eigenen Kristallwasser". Die Energie geht in das Aufbrechen der Bindungen statt in Temperaturerhöhung → **latente Wärme**.
|
||||
|
||||
Der Schlüssel ist die **Unterkühlbarkeit**: Die Schmelze bleibt bis auf Raumtemperatur metastabil flüssig und hält die Energie nahezu verlustfrei. Erst ein Auslöser (Impfkristall, Erschütterung) startet die Kristallisation und gibt die Wärme schlagartig bei ~58 °C frei. Damit lässt sich der Speicher **isolierungsfrei lagern und transportieren**.
|
||||
|
||||
### Energiedichte
|
||||
|
||||
| Modus | Beitrag | Energiedichte |
|
||||
|---|---|---|
|
||||
| `latent_only` | Phasenwechsel 264 kJ/kg | **0,073 kWh/kg** (~0,095 kWh/L) |
|
||||
| `latent_plus_hub` | + Überhitzung der Schmelze (z. B. auf 80 °C) | **0,091 kWh/kg** (~0,12 kWh/L) |
|
||||
| + Unterkühlung Feststoff | bis ~40 °C nutzen | ~0,10 kWh/kg (~0,13 kWh/L) |
|
||||
|
||||
Stoffwerte: Dichte ~1,3 kg/L, c_flüssig ≈ 2,9 kJ/kg·K, c_fest ≈ 1,9 kJ/kg·K. Zum Vergleich Wasser (50 K Hub): nur ~0,058 kWh/L.
|
||||
|
||||
### Kritischer Punkt: Temperaturniveau
|
||||
|
||||
Natriumacetat schmilzt bei **58 °C**, die Milchabwärme fällt aber nur bei max. **37 °C** an. Eine 37-°C-Quelle kann einen 58-°C-Speicher **nicht direkt laden** → es braucht eine **Wärmepumpe** zur Temperaturanhebung (siehe Dokument 2).
|
||||
@@ -0,0 +1,95 @@
|
||||
# 2 – Systemauslegung
|
||||
|
||||
Dimensionierung der Komponenten für den Referenzfall **1000 L Milch/Tag**. Konzept: Milchabwärme → Wärmepumpe (Strom aus PV) → Natriumacetat-Latentspeicher.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2.1 Wärmepumpe
|
||||
|
||||
Die WP entzieht der Milch die Wärme (Verdampfer ~0 °C) und gibt sie bei >58 °C an den Speicher ab (Kondensator ~63 °C). Die Verdichterarbeit landet **mit** im Speicher:
|
||||
|
||||
```
|
||||
Q_Speicher = Q_Milch + W_elektrisch
|
||||
COP = Q_Speicher / W_elektrisch
|
||||
W_el = Q_Milch / (COP − 1)
|
||||
```
|
||||
|
||||
| COP | Strom/Tag | Wärme in Speicher/Tag |
|
||||
|---|---|---|
|
||||
| 2,5 | 25,6 kWh | 64,0 kWh |
|
||||
| **2,6 (Referenz)** | **24,0 kWh** | **62,4 kWh** |
|
||||
| 3,0 | 19,2 kWh | 57,6 kWh |
|
||||
|
||||
Leistungsauslegung (18 h/Tag Laufzeit): Kälteleistung ~2,1 kW, Heizleistung ~3,5 kW, el. Leistung ~1,3 kW.
|
||||
|
||||
> Wichtig: Durch die WP wird **mehr** gespeichert als die reine Milchabwärme (62,4 statt 38,4 kWh/Tag).
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2.2 PV-Anlage
|
||||
|
||||
Auslegung auf **Jahresbilanz** des WP-Strombedarfs (Standort Süddeutschland, ~1.000 kWh/kWp·a, ~5 m²/kWp).
|
||||
|
||||
| Größe | Wert |
|
||||
|---|---|
|
||||
| Jahresstrombedarf WP | ~8.760 kWh/a |
|
||||
| Leistung | **~8,8 kWp** |
|
||||
| Dachfläche | **~44 m²** |
|
||||
|
||||
Bei einer typischen Stalldachfläche von mehreren hundert m² problemlos verfügbar.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2.3 Netzbezug durch die Wintermonate
|
||||
|
||||
Die WP läuft täglich, die PV liefert saisonal. Monatsbilanz (gerundet):
|
||||
|
||||
| | kWh/a |
|
||||
|---|---|
|
||||
| Jahresbedarf WP | 8.760 |
|
||||
| Netzbezug (Okt–Feb) | ~1.940 |
|
||||
| Sommerüberschuss (Mär–Sep) | ~1.960 |
|
||||
|
||||
**Netzbezug ≈ 22 %** des Jahresbedarfs – fällt komplett in die Monate Oktober bis Februar. Der Sommerüberschuss entspricht fast genau dem Winter-Zukauf (bilanziell ausgeglichen, zeitlich verschoben).
|
||||
|
||||
> Diese 22 % gelten **mit** Batterie (Tag-/Nacht-Ausgleich). **Ohne** Batterie eher 50–60 %, da die WP rund um die Uhr läuft, die PV aber nur tagsüber.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2.4 Batteriespeicher
|
||||
|
||||
Aufgabe: nur **Tag-/Nacht-Versatz** überbrücken (kein saisonaler Ausgleich – das ist mit Batterie unmöglich).
|
||||
|
||||
| Größe | Wert |
|
||||
|---|---|
|
||||
| WP-Last pro Tag | 24 kWh |
|
||||
| zu überbrückende Nachtlast | ~14–16 kWh |
|
||||
| empfohlen nutzbar | ~15–18 kWh |
|
||||
| Nennkapazität (LFP) | **~20 kWh** |
|
||||
| Autonomie | ~1 Tag |
|
||||
|
||||
Mehr Kapazität senkt den 22-%-Winteranteil **nicht** – der kommt aus dem saisonalen PV-Mangel, nicht aus dem Tag-/Nacht-Versatz.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2.5 Latentwärmespeicher (Natriumacetat)
|
||||
|
||||
Speichergröße = Wärme je Abholzyklus ÷ Energiedichte. Beispiel 14-Tage-Zyklus, Modus `latent_plus_hub`:
|
||||
|
||||
| Größe | Wert |
|
||||
|---|---|
|
||||
| Energie je Zyklus | 62,4 · 14 ≈ **873 kWh** |
|
||||
| Masse | ~9.600 kg |
|
||||
| Volumen | ~7,4 m³ |
|
||||
|
||||
Skalierung linear mit Zyklusdauer und Milchmenge. Details zu LKW-Auslastung und Abholrhythmus siehe Dokument 3.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 2.6 Saisonaler Grundkonflikt
|
||||
|
||||
Wärme**erzeugung** und Wärme**bedarf** laufen gegenläufig:
|
||||
- Sommer: viel PV-Strom, viel Abwärme – aber wenig Heizbedarf.
|
||||
- Winter: hoher Heizbedarf – aber wenig PV (22 % Netzbezug) und gleicher Abwärmeanfall.
|
||||
|
||||
Das ist die zentrale Schwäche des Konzepts und der Grund, warum im Winter nur wenige Haushalte beheizt werden können (Dokument 3).
|
||||
@@ -0,0 +1,88 @@
|
||||
# 3 – Logistik, Haushalte & Wirtschaftlichkeit
|
||||
|
||||
Verwertung der gespeicherten Wärme: Transport, Reichweite bei Haushalten, Marktwert. Referenzfall **1000 L Milch/Tag**.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 3.1 Transport im LKW
|
||||
|
||||
Grenze: Standard-Sattelauflieger.
|
||||
|
||||
| Größe | Wert |
|
||||
|---|---|
|
||||
| Nutzlast | ~24 t |
|
||||
| Laderaum | ~90 m³ |
|
||||
|
||||
Natriumacetat (~1,3 kg/L): 24 t ≈ **18,5 m³** → passt locker ins Volumen. **Das Gewicht bindet**, nicht das Volumen (nur ~20 % Laderaum genutzt).
|
||||
|
||||
**Energieinhalt eines vollen LKW:**
|
||||
- `latent_plus_hub`: 24 t · 0,091 ≈ **~2.185 kWh**
|
||||
- `latent_only`: 24 t · 0,073 ≈ **~1.760 kWh**
|
||||
|
||||
**Abholrhythmus:** Aus 62,4 kWh/Tag füllt sich ein voller LKW (Hub-Modus) nach **~35 Tagen**. Optionen:
|
||||
|
||||
| Zyklus | Masse | Volumen | LKW-Auslastung |
|
||||
|---|---|---|---|
|
||||
| 7 Tage | 4,8 t | 3,7 m³ | 20 % |
|
||||
| 14 Tage | 9,6 t | 7,4 m³ | 40 % |
|
||||
| 21 Tage | 14,4 t | 11,1 m³ | 60 % |
|
||||
| 28 Tage | 19,2 t | 14,7 m³ | 80 % |
|
||||
| 35 Tage | 24,0 t | 18,4 m³ | 100 % |
|
||||
|
||||
Empfehlung: an die volle Ladung koppeln (~monatlich) statt halbleere Fahrten, oder kleineren Wechselbehälter für 2-Wochen-Takt.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 3.2 Versorgbare Haushalte (Familie 2 Erw. + 2 Kinder)
|
||||
|
||||
**Warmwasserbedarf:** Erwachsener ~1,8 kWh/Tag, Kind ~1,0 kWh/Tag → Haushalt **~5,6 kWh/Tag** (~2.040 kWh/a).
|
||||
|
||||
**Winter-Heizbedarf:** ~60 kWh/Tag/Haushalt (gebäudeabhängig: saniert ~40, Altbau ~100).
|
||||
|
||||
| Anwendung | Bedarf/HH/Tag | Versorgbare Haushalte |
|
||||
|---|---|---|
|
||||
| Warmwasser (ganzjährig) | 5,6 kWh | **~11 Haushalte** |
|
||||
| Winter (Heizung + WW) | ~65,6 kWh | **~1 Haushalt** |
|
||||
|
||||
Kernaussage: Aus 1000 L Milch lassen sich **~11 Familien mit Warmwasser** versorgen – aber sobald die Raumheizung dazukommt, verschlingt schon **ein einziges Haus** fast die komplette Tagesproduktion. Eine LKW-Ladung deckt den Warmwasserbedarf einer Familie für gut ein Jahr.
|
||||
|
||||
Die Speicherwärme wird bei 58 °C abgegeben – passend für Warmwasser (45–60 °C) und Flächenheizung.
|
||||
|
||||
> Die Haushaltszahl hängt an der **Produktionsrate**, nicht am LKW-Modus.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 3.3 Wert der Wärme beim Käufer (Ersatzkosten)
|
||||
|
||||
Was der Käufer für dieselbe Nutzwärme aus Brennstoffen zahlen würde (Preise Stand Juni 2026, Deutschland; Nutzwärmekosten = Brennstoffpreis ÷ Kesselwirkungsgrad).
|
||||
|
||||
| Brennstoff | Nutzwärme | EUR/LKW (~2.185 kWh) | EUR/Jahr (~22.800 kWh) |
|
||||
|---|---|---|---|
|
||||
| Gas (11 ct/kWh @ 95 %) | 11,6 ct/kWh | ~253 € | ~2.635 € |
|
||||
| Heizöl (11,5 @ 90 %) | 12,8 ct/kWh | ~279 € | ~2.908 € |
|
||||
| Pellets (7,0 @ 88 %) | 8,0 ct/kWh | ~174 € | ~1.810 € |
|
||||
|
||||
> Das ist der **Brutto-Substitutionswert**, nicht der erzielbare Verkaufspreis. Davon gehen Transport, WP-/PV-Strom (22 % Netzbezug) und Speicherinvestition ab. Pellets (~8 ct/kWh) sind der härteste Konkurrenzmaßstab.
|
||||
|
||||
---
|
||||
|
||||
## 3.4 Python-Werkzeug
|
||||
|
||||
Zur Nachrechnung beliebiger Varianten: `auslegung.py` + `config.json`.
|
||||
|
||||
```
|
||||
python auslegung.py 1000 # Detailreport
|
||||
python auslegung.py 1000 --suggest-size # gerundete Empfehlung + Abholzyklus
|
||||
python auslegung.py 1500 --config variante.json --json ergebnis.json
|
||||
```
|
||||
|
||||
**Berechnet:** Milchkühllast, Wärmepumpe (Kälte-/Heiz-/Stromleistung), PV (kWp + Fläche), Netzbezug, Batterie, Latentspeicher inkl. LKW-Abgleich und Energieinhalt, versorgte Haushalte (WW + Winter), Brennstoffkosten-Vergleich.
|
||||
|
||||
**Alle Annahmen** stehen in `config.json` (Milch, WP-COP, PCM-Modus/Stoffwerte, Abholzyklus, LKW-Grenzen, PV-Profil, Batterie, Haushalt, Brennstoffpreise). Variante = Datei kopieren, Werte ändern.
|
||||
|
||||
**Bewusste Modell-Vereinfachungen:**
|
||||
- Zurückkehrender Behälter wird als „warm" (nahe Schmelzpunkt) angenommen, sonst müsste die WP ihn zusätzlich aufheizen.
|
||||
- Netzbezug ist Monatsbilanz, setzt Tag-/Nacht-Ausgleich per Batterie voraus.
|
||||
- `--suggest-size` optimiert auf Transportauslastung, nicht auf Speicher-Verweildauer.
|
||||
|
||||
**Mögliche nächste Schritte:** Anbieterseite (Transportkosten, WP-Stromkosten, Speicher-Abschreibung) → echte Marge / Mindestverkaufspreis je kWh.
|
||||
Reference in New Issue
Block a user