Projekt "Überkühl" - ❄ Gefrierschrank mit ☀ Sonnenstrom aufladen, mit 🔋 Salzwasser"kälte"speicher puffern

Elektrik, DIY, Softwareprojekte, Neue Ideen Neue Ideen
1

Gesamtfazit:

"Und sie kühlen doch..."

Die Steuerung der Stromlasten, um unser Netz stabil zu halten, ist heutzutage ein größeres Thema als je zuvor, besonders nachdem Spanien durch Schwingungen im Netz und das Versagen herkömmlicher Regelungen und Kraftwerkseinsätze einen Blackout erlebte.

Es wird immer noch unterschätzt, wie und wie gut die Menschen auf günstigen Strom und dadurch steuerbares, netzdienliches Verhalten reagieren.

Energie ist nie "zu viel", "zu billig", "nutzlos" oder "Abfall" in unserer Welt. Wenn sie verschenkt werden würde, gäbe es viele Abnehmer.

Ein schwaches, altes Netz ist mit alten, schwachen Brücken zu vergleichen. Wenn man nichts für den Erhalt oder die Modernisierung macht, kann man auch mit der größeren Straßenbahn nicht darüber fahren.

Und es ist viel zu tun, wenn Wind und Sonne uns viel günstigen Strom liefern, den wir auch an Nachbarländer verkaufen können.

Bis die Netze ausgebaut und modernisiert sind, dauert es noch lange. In dieser Zeit ist es wichtiger denn je, den Verbrauch mit der Erzeugung zu koppeln und nicht wie früher umgekehrt, die Erzeugung mit dem Verbrauch.

Von den ganz großen Industrieunternehmen, über die Menge an E-Autos bis zu Heimakkus, Hausgeräten und Wärmepumpen / Klimanlagen lässt sich vieles zeitlich steuern, Wärme und Kälte puffern und manches nach dem Lauf der Sonne ausrichten.

Eine kleine Möglichkeit mit in der Masse großer Wirkung wäre die Verschiebung der Energieaufnahme und Kühlzeit von Gefriergeräten in den entsprechenden Zeitraum mit örtlichem Überschußstrom.

Was im Vergleich zu Heimakkus und E-Auto-Akkus als klein erscheint, multipliziert sich durch die Haushalte und Industrie- und Supermarkt-Kühlgeräte zu immensen Energiemengen.

Hiermit habe ich die Messungen und Praxisauswertungen mittels Salzwasser-"Kälte"speichern im Kleinen mit einem Haushaltsgefriergerät gemacht. Dazu nötig sind eine Zeitschaltuhr und sieben Liter Salzwasser in Beuteln in Verbindung mit einer Balkonsolaranlage, die tagsüber sonst mehr Überschussenergie ins Netz speisen würde. Hier nimmt das Haushaltsgefriergerät tags den Strom und ist nachts aus.

Im Großen wäre das wahrscheinlich noch einfacher skalierbar und direkt mit dem Strommarktpreis und der Regelung der Industriegefriergeräte gekoppelt. Und auch hier wären Salzwasser-"Kälte"speicher ein nutzbarer, günstiger, "ungiftiger" Puffer, der lange die Temperatur halten kann.

Es wird Zeit, den Strompreis zu nutzen, um die Industrie, Geräte und Menschen das Stromnetz stabiler machen zu lassen. Es liegt nicht an den Erzeugern. Es liegt an den falschen Anreizen und alten Netzen, alter, nicht aktueller Infrastruktur. Sowohl für Windenergie der großen Konzerne als auch den Überschuss der Kleinen.

Wir alle brauchen Energie. Je günstiger und mit weniger Schadstoffen sie zu uns gebracht wird, desto besser. Zu viel Strom gibt es nicht, nur schlechte Netze und falsche Anreize. Es gibt günstigen Strom bei Sonne und Wind durch die günstigsten Stromerzeuger die wir momentan haben. Niemand hat was gegen günstigen Strom auf seiner Stromrechnung :wink:

Am Ende des Netzausbaus und des Kraftwerksausbaus in Europa wird es vielleicht sogar genug günstige Energie geben um sich auch im Winter selbst zu versorgen. Die Energie wird direkt genutzt, kurz gespeichert, umgewandelt und lang gespeichert, etc.

Bis dahin braucht es günstige, einfache Lösungen die auch funktionieren und sich rechnen wenn die großen den Strom besser und günstiger puffern/speichern können als die kleinen.

Projekt "Überkühl" und "Salzwasserkältespeicher":

"Überkühl":
Den Kühlschrank/Gefrierschrank bei PV-Überschuss stärker/länger laufen lassen.

"Eisspeicher"/"Salzwasserkältespeicher":
Die "Kälte" durch mehr gefrorene Sachen Speichern, zusätzlich den Wechsel des Aggregatzustandes bei tieferen Temperaturen als 0 Grad nutzen um mehr Energie zu bestimmten Zeiten zu Speichern/Freisetzen zu können.

Projekt "Überkühl"

zum Beispiel eine kleinen Heizwiderstand am Kühlschranksensor anzubringen und ihn bei Sonne zu aktivieren.

Oder gleich immer zur Mittagszeit den Eisschrank stärker laufen zu lassen, damit er in der restlichen Zeit weniger/keine Energie benötigt
...

Bedenken:

Der Heizwiderstand darf den Kühlschrank auch im Fehlerfall nicht entzünden.
DIe Technik muss günstig, einfach und sicher sein.

Eisspeicher / Salzwasser"kälte"speicher erklärt:

Das Wechseln des Aggregatzustandes von fest nach flüssig, also das Auftauen von Eis, benötigt ca. so viel Energie wie das Erhitzen von flüssigem Wasser auf 80 Grad.

Sättigt man das Wasser mit Salz, gefriert es z.B. erst bei ca -21 Grad und gibt dabei viel Energie ab. Beim Flüssig werden wiederum entzieht es seiner Umwelt Wärme.
Somit kann z.B im Gefrierschrank die Temperatur länger bei um die -21 Grad gehalten werden.
Ist die Salzkonzentration geringer, erfolgt der Beginn des Phasenwechsel bei höheren Temperaturen, z.B: zwischen -16 bis -21 Grad.

Bei Wasser bei 0 Grad.

Überschlagsrechnung für Energiebedarf bei Phasenwechsel: 0,74 kWh

10l Salzwasser"kälte"speicher können ??? 0,74 kWh Energie Speichern.

Bei 10l gesättigter Salzlösung würde der Phasenwechsel (ca -21 Grad) irgendwas um die 0,74 kWh Energie benötigen.

Abschätzung der gespeicherten elektrischen Energie: 0,37 kWh
Wenn man dem Gefrierschrank einen Wirkungsgrad (cop) von 2 zuschreiben würde, könnten das entsprechend 0,37 kWh elektrische Energie sein, die in 10 Liter Salzwasser"kälte"speicher beim Übergang von Fest zu Flüssig und umgekehrt gespeichert/abgerufen werden können.
Entspricht bei mir ca einen halben Tag Eisschrank auf hoher Stufe laufen lassen.

"Zutaten" und Rezept für Salzwasser"kälte"speicher ab ca -15 / -16 Grad (ca 210g Salz zu 1l Wasser)

Es gibt auch fertige größere Kühlpads die oft Propylenglykol enthalten um den Gefrierpunkt herabzusetzen. Gibt es z.B. bei Amazon: 38 x 25 cm | Kühlpack mit Kühlgel Doppelpack 14Eu (edit: Die haben oft einen anderen Gefrierpunkt unter -15 Grad)

Zum Selbermischen ist Spülmaschinensalz recht günstig, anderes geht bestimmt auch. 0,40 Eu /kg

Abfüllen kann man in stabile Behältnisse die auch beim Ausdehnen der gefrorenen Mischung nicht kaputt gehen. Als Idee hatte ich die stabilen großen Apfelsaft/Wein Plastikbeutel oder auch leere Nachfüllplastikbeutel für Seife. Versucht habe ich Gefrierbeutel.

Ich hatte noch 10l Gefrierbeutel und mir einen einfachen, großen Tütenschweißer (ohne Vakkuum ziehen!) geliehen. Wenn man nach dem verschweißen ca 10 sek wartet bis es abgekühlt ist, kann man breite, ziemlich gute Schweißnähte machen. Ich habe etwas Luft im Beutel gelassen, in der Hoffnung, dass es Platz zum Ausdehnen lässt. (Salzwasser ist für Strom gut leitend, es sollte auf gar keinen Fall beim Verschweißen ins Gerät kommen!)
Die Beutel (jeder mit 2. Tüte drumherum verschweißt) passen gut in den Boden meiner Gerfrierschrankschubladen.

Bei meinen Tests habe ich 210g Salz zu 1l Wasser benutzt, damit die Lösung bei ca -15 Grad anfängt einzufrieren.

Nach Vergleich mehrerer Quellen, sollten 240g Salz auf 1l Wasser -17 Grad Gefrierpunkt ergeben.
Ich versuche mit 220g auf ca -15 Grad zu kommen.Nach Beispiel englische Pdf quelle (s.5, Solution B)
https://www.polartrec.com/files/resources/lesson/37887/docs/how_cold_freezing_final_1.pdf

Wenn man es genau betrachtet.. : "Kälte ist die Abwesenheit von Energie"

Energie wird als "Abwesenheit von Energie" im Salzwasser"kälte"speicher für den Gefrierschrank gespeichert. Beim Einfrieren kristallisiert das Wassers und es wird Energie als Wärme frei. Der arbeitende Gefrierschrank braucht mehr Energie um die Wärme aus dem Kühlschrank zu pumpen und wird dabei innen langsamer kalt. Das "Auftauen" geschieht durch Wärme die durch die Gefrierschrankwände zurück fließt, welche die Speicher als Energie aufnehmen. Sie halten den Innenraum länger kühl.

2

Warum keinen falschen Wert vorgaukeln statt zu erwärmen? Dann stellt sich das Problem erst gar nicht

3

Weil das erwärmen nahe des Sensors bei allen gleich funktionieren könnte. Nichtinvasiv.

4

Günstig wäre, wenn du den Sensor mit Heizwiderstand in Kombination etwas dämmst. So heizt du mit deutlich weniger Leistung den Sensor und nicht den Kühlschrank.

5

Oft ist der Sensor nicht leicht erreichbar.

(Bei einem Kühlschrank kann ich gar keine klappe/deckel finden...)

Dann wäre auf der Kühlschrankwand beim Sensor evtl möglich.

Ein Widerstand der vergossen und -55 bis 255 Grad und überdimensioniert wäre, wäre sowas bsp Reichelt:

Max 10W 68Ohm

https://www.reichelt.de/drahtwiderstand-axial-10-w-68-ohm-1--vi-rh01068r00fe0-p233588.html?&trstct=pos_0&nbc=1

Nachtrag:

Tasmota Steckdosen mit Energiemeßgerät und Thermometer

Ich hatte mal Tasmota Steckdosen mit esp32 bekommen, die auch für Matter vorbereitet waren. Sie hatten auch einen internen Temperatursensor angezeigt (ob die Steckdose heiß wird)

Diese zeigen auch die Spannung an wenn die Steckdose den Verbraucher abgeschaltet hat.

Ich muß mal suchen welche das waren.

Es könnten diese sein, auch wenn da ESP8266 steht

Nachtrag2

Es war umgekehrt.

Die mit esp32 und temperatur Messung zeigten die Sapnnung im abgeschaltetem Zustand nicht mehr an..

6

Sagt mal, wie groß sind den eure Sensoren, oder wollt ihr tatsächlich auf 30p Grad heizen? Es geht um max. 10 Grad. Eine 2 W Widerstand kann man bei Normalbetrieb nicht mehr anfassen. Ich heize euch mit einem bedrahteten 1/3 oder 1/4 W Wiederstand selbst die großen altmodischen Quecksilber Thermostate ausreichend auf das der KS nicht mehr abschalten kann. Zu einem NTC der vermutlich Stecknadelgroß ist schweige ich.

1 „Gefällt mir“
7

@hopfen

Bei der Heizleistung bin ich noch gar nicht.

Ich komme bei meinem Testkühlschrank nicht an die Sensoren und muss den Heizwiderstand auf die Wand wo der Sensor drunter ist, anbringen.

Auch ist mir schon einmal ein Widerstand bei Defekt verkokelt. Daher meine Vorsicht.

Auch im Fehlerfall darf er bei mir bei max. Leistung des Netzteil nichts in Brand setzten können.

Ich überlege auch ein 5V Netzteil zu benutzen...

8

Betreibe ihn artgerecht dann gibt es keinen Brand. Mir ist noch nie ein Widerstand untergekommen der einen Kurzschluss machte. Doch einmal, der kleine bekam etwa 2 kW ab , das führte zur sofortigen Kernschmelze mit kleinem Feuerwerk ;‐) . Normal hoch belastet werden Widerstände hochohmig. Bin jetzt aber kein Servicetechniker der damit konfrontiert ist.

Externes 5V Netzgerät, ich denke das macht nicht lange außer es ist ein altmodischer verlustreicher Trafo.

9

@hopfen

Ich würde ca 1Watt Leistung erstmal ausprobieren.

Gerne dann runter gehen.

Wie verhinderst du das nichts einfriert?

Zeitgesteuert?

10

Übers Thermostat

Du muß den Widerstand so auslegen daß er richtig heizt, z.B. den Sensor oder die Wand nur um 5 -10 Grad zusätzlich aufheizt. Dann schaltet das Thermostat auch etwa in dem Bereich (hier etwas weniger da der Sensor nicht direkt beheizt wird) tiefer ab. Einstellung delta T muß erprobt werden.

Ist der Heizer abgeschaltet läuft es ganz normal, so wie das Thermostat eingestellt ist.

Bei einer Wand würde sich ein Leistungstransistor mit Loch TO247 ab BD135 anbieten. Zur besseren Wärmeverteilung auf ein paar cm Alu Blech geschraubt. Gesteuert wird der einfach über begrenzten Basisstrom und Einstellregler. Der wird im Fehlerfall allerdings tatsächlich voll leitend bevor er durchbrennt. Ist aber hier keine Gefahr bei richtig begrenztem Basisstrom und lässt sich dafür schön regeln.

11

Vor meinem inneren Auge dreht ein Modellbauservo am Thermostat.

Allerdings sehe ich bei einem Kühlschrank nicht viel Spielraum, weil wenige Grad unter seiner Normaltemperatur gefriert bereits das Essen und verdirbt beim wiederauftauen. Ein Gefrierschrank wäre wohl ein lohnenderes Opfer.

1 „Gefällt mir“
12

Bei Kombi Kühlschränken mit Gefrierfach und nur einem Kompressor ist das auch so geregelt. Wenn man diesen in einen kalten Hausarbeitraum stellt, läuft der Kompressor so wenig, daß die Gefahr besteht daß das Gefrierfach auftaut. Damit dies nicht passiert, schaltet der Regler die Innenbeleuchtung im Kühlschrank ein. Das sind 20 Watt wo soweit aufheizen, daß der Kompressor wieder anläuft. Habe mich dann bei Liebherr in der Entwicklungsabteilung darüber beschwert. Ein Umschaltventil für das Kältemittel hätte 50 Euro mehr gekostet weshalb das bei Consumer Geräten mit nur 2 Plus hinter dem A einfach nicht gemacht wird. Habe ich mir mal einen Wolf gesucht weil die Lampe nicht ausgegangen ist obwohl der Türkontakt in Ordnung war.

Tipp: Glühlampen für Backöfen gibts im Übrigen noch immer, weil LEDs dort die Temperaturen nicht mitmachen.

1 „Gefällt mir“
13
Spannungserhöhung an der Tasmotasteckdose als Signal für Überschusseinspeisung.

Die Spannungserhöhung beim Einspeisen des Balkonwechselrichters scheint nur am gleichen Stromkreis bis zur Sicherung gut meßbar zu sein.

Am Zähler sind die Spannungen meißt hoch wenn viel Sonne da ist, unterlliegen aber anderen Einflüssen aus dem Netz. Ich tippe auf regelbaren Ortsnetztransformatoren (RONTs), Windkraft und andere Solaranlagen.

Nachtrag:

Selbst auf der Phase auf der eingespeist wird, hatte ich Nachts ohne Einspeisung oft höhere Werte als Tagsüber.

14

Beispiel für "Rule" in der Console anlegen (deaktivieren mit "Rule2 0"

Rule2 ON Energy#Voltage>231 DO Power ON ENDON
Rule2 1
15

Unser 360l Gefrierschrank benötigt am Tag 1kWh für -21°C. Er wird im Winter 1 mal täglich, im Sommer mehrmals täglich geöffnet. Wenn ich von 1kWh am Tag ausgehe und es sind sicher 4 oder 5 Einschaltzyklen dann benötigt er pro Zyklus 200 - 250W. Da Gefrierer meist eine Kalthaltezeit für 24h haben wäre das wirklich möglich, also die Verschiebung von den 1kWh auf nur tagsüber mit PV-Strom und Nachts aus. Aber was nimmt der Nachts? 0,5kWh? Und ein Kühlschrank, der wird wohl nachts (außer genau umgekehrt bei Nachteulen) nicht geöffnet. Der verliert also Nachts kaum Energie, muss nicht abkühlen. Sämtliche Umbauarbeiten sind sicherlich teurer als eine Einsparung. Und mehr runterkühlen bringt... quasi null. Wie geschrieben wurde, das Kühlgut muss dann auch noch bei 2° aufhören sonst friert einem das Zeug ein. Das wäre im übrigen der "lohnenswertere Umbau". Ein Kühlschrank-Eisspeicher bei dem mit einem Plattenwärmetauscher aus einem Eistank Wärme vom Kühlschrank in den Eistank geht und wenn Strom verfügbar ist wird das Eis erzeugt.... Aber wer baut sich sowas?

Aber sowas macht ja Spaß. Also brauchen wir für ca. 2kWh Kühlleistung 1kWh Strom bei 3kWh Heizleistung (geschätzt). 1Kg Wasser zu 1Kg Eis (jaja, Dichte, passt schon!) sind 92,5 Watt. Also 22 Liter Wasser für 2kWh Wasser zu Eis.

Man baut sich also einen kleinen 50l Eisspeicher selber und dazu einen Kühlschrank mit Kühlschlangen oben drin. Wenn die Temperatur im Kühlschrank zu hoch ist, schaltet eine Umwälzpumpe ein und pumpt aus dem Eisspeicher Flüssigkeit in den Kühlschrank der abkühlt. Temperatur erreicht schaltet die Umwälzpumpe ab. Wenn Strom übrig ist, wird der Eisspeicher runtergekühlt und das Wasser gefroren.

Wer bietet sich an? :wink:

16

Die meiste Energie wird dafür benötigt, um den kontinuierlichen Wärmeeintrag wieder loszuwerden. Tür auf spielt nur wenig eine Rolle, wenn man nur was rausnimmt und nichts Neues reinpackt. Denn da kommt nur ein wenig warme Luft rein, Luft hat aber kaum Wärmekapazität.

Insofern kannst du fast von kontinuierlichem Verbrauch ausgehen. Bei 1kWh pro Tag also etwa 42 Wh pro Stunde. Also Einsparung von etwa 0,5kWh pro Tag wären denkbar, insofern man tagsüber dann wirklich den Überschuss dafür hat. Wenn man den Überschuss nur im Sommer hat, dann zumindest 200 Tage * 0,5kWh = 100 kWh oder etwa 30 Euro.

Unser Tiefkühlerschrank (1,85 hoch, 5 Jahre alt) nimmt etwa 200kWh im Jahr, also nur etwa 0,5kWh pro Tag. Da kann man nur noch 15 Euro sparen.

12 Stunden ohne Strom übersteht der zwar, aber dann steigt die Temperatur deutlich, was fürs Gefriergut nicht gut wäre. Man sollte da ja nicht über -18 Grad kommen. Standard liegt unserer bei -21 Grad. Da hat man nur 3 Grad Fenster.

17

Da musst du mal gucken. Es gibt dort einen Hinweis: "Lagerzeit bei Störung". Dieser beträgt je nach Gerät unterschiedliche Stunden. Laut dem mächtigen Google sind das bei voll beladenem Gerät von -18°C auf -9°C. Unser hat -21°C und wir reden hier von ca. 16 Stunden würde ich mal sagen. Damit bliebe der Gefrierer bei geschätzten -15°C. Eingespart wird dann eben nicht 0,5kWh wegen tagsüber/nachts sondern 1kWh, die man aber mit Verlusten gegenrechnen muss. Ich gehe davon aus, dass er dann mehr Leistung benötigt. Also statt vorher 1kWh zu benötigen sind es dann 1,2kWh. Ja ich weiss auch es SOLLTE dasselbe sein, aber wir kennen die Regelung nicht. Am Tag 200W mehr sollte von der PV drin sein. Man spart sich damit also 243kWh nachts (Dämmerung etc.), die man mit 292kWh tagsüber verbraucht. Dafür wird der Akku (sofern man einen hat) geschont.

18

schöner thread. die Idee mit dem kleinen Heizwiderstand am thermostat ist interessant. Wäre aber auch hier eher für die 5V Variante, dann hat man weniger ärger. Vermutlich wirklich <1W, das ginge dann bei manchem controller fast schon direkt.

Was auch zu beachten ist: Wenn ESP32 oä im Kühlschrank, dann wird's oft nichts mehr mit dem WLAN.

Da mein Kühlschrank auch noch kein WLAN selbst hat für die steuerung mache ich das teils auch mal per Hand, aber klar, das wird einem irgendwann zu blöd. 2°C Temperaturdiff auf der Kühlschrank und 5°C Temperaturdifferenz auf der Gefrierseite summieren sich dann geschätzt auf 0.4kWh Stromverbrauch, die man so von der Nacht in den Tag schieben kann.

19

Kann auch weniger sein. Eine Regelung gibts in dem Sinne auch nicht. Ist ja nur ein simpler Verdichter, der nur eine Leistungsstufe hat und der so lange läuft, bis Zieltemperatur erreicht ist. Und wenn der bei Nacht aus ist und dann später länger durchläuft, verbraucht er weniger, als im Taktbetrieb, wenn kontinuierlich Strom da ist. Aber ich vermute, kaum messbar.

Der eigentliche Minderverbrauch kommt woanders her: Die Wärmeeinträge in den Tiefkühler hängen direkt an der Temperaturdifferenz innen-außen. Je höher, um so höher der Wärmefluss. Also muss der deutlich weniger verbrauchen, wenn Nachts ausgeschaltet und die Temperatur innen steigt.

1 „Gefällt mir“
20

@win Die Temperatur wird aber vermutlich nicht konstant bei -21 liegen oder?

Bei mir hab ich so ein Zigbee Thermometer in den Kühlschrank drin und laut diesem steigt die Temperatur (innerhalb von 2 Stunden) von -21 bis auf -15,8 Grad an, dann springt der Gefrierschrank an und kühlt (in 45 Minuten) wieder auf -21 Grad runter. Danach beginnt der Zyklus wieder von neuem. Wenn man den über Nacht stromlos machen würde steigt die Temperatur dann noch weiter an.

Hängt davon ab wie gut der Gefrierschrank isoliert ist. (meiner ist schon sehr betagt und verbraucht pro Tag ca. 1 kWh)