Michael Stangl
3.8 KiB
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).