diff --git a/doc/01_energiemengen_thermodynamik.md b/doc/01_energiemengen_thermodynamik.md new file mode 100644 index 0000000..2cfe213 --- /dev/null +++ b/doc/01_energiemengen_thermodynamik.md @@ -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). diff --git a/doc/02_systemauslegung.md b/doc/02_systemauslegung.md new file mode 100644 index 0000000..9453e44 --- /dev/null +++ b/doc/02_systemauslegung.md @@ -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). diff --git a/doc/03_logistik_haushalte_wirtschaftlichkeit.md b/doc/03_logistik_haushalte_wirtschaftlichkeit.md new file mode 100644 index 0000000..6359d19 --- /dev/null +++ b/doc/03_logistik_haushalte_wirtschaftlichkeit.md @@ -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.