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Wärmespeicher für 1 Tag bis zu 6 Monate - cupasol

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<strong>Wärmespeicher</strong><br />

<strong>für</strong> 1 <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong><br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

S 1


<strong>cupasol</strong> GmbH<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

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Vorstellung<br />

Robert Hegele, Dipl.-Ing. Univ. Maschinenbau<br />

kaufmännischer Bereich, Vertrieb<br />

Marco Eckardt, Dipl.-Ing. Univ. Werkstoffwissenschaften<br />

Entwicklung, Technik, Projektierung<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH<br />

• junges Unternehmen mit Firmensitz in Ravensburg<br />

• gegründet Dez 2011, Entwicklungstätigkeit bereits seit 4 Jahren<br />

• kleine und große solarthermische Anlagen<br />

• <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> große thermische Energiemengen<br />

• Vertrieb von Vakuumröhrenkollektoren des Herstellers AkoTec<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

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großvolumige <strong>Wärmespeicher</strong> als<br />

ökologisch und ökonomisch optimale Ergän<strong>zu</strong>ng<br />

<strong>für</strong> Blockheizkraftwerke (BHKW).<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

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<strong>Wärmespeicher</strong><br />

Biogasanlage mit BHKW<br />

Dauerbetrieb BHKW<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

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Ausgangsituation Biogasanlagen mit BHKW<br />

Aktuelle Situation<br />

• über 7.000 Biogasanlagenbetreiber in Deutschland erzeugen Strom<br />

• <strong>bis</strong> über 60% der Energie aus Biogasanlagen geht als ungenutzte<br />

Abwärme <strong>zu</strong>rück in die Atmosphäre<br />

• ein Teil der Biogasanlagenbetreiber nutzt Abwärme, nur die wenigsten<br />

nutzen mehr als 50% des Wärmepotentials<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

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Ausgangsituation Wärmeversorgung<br />

durch Biogasanlage mit BHKW<br />

Situation des Betreibers:<br />

• erzeugt ca. 40% Strom, restliche 60% Abwärme<br />

Wie kann der Betreiber die Abwärme nutzen?<br />

• Vermarktung der Wärme über Nahwärmenetz<br />

• Nut<strong>zu</strong>ng <strong>zu</strong>r Raumhei<strong>zu</strong>ng, Trinkwassererwärmung oder als Prozesswärme<br />

• öffentliche, gewerbliche oder private Verbraucher<br />

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Ausgangsituation Wärmeversorgung<br />

durch Biogasanlage mit BHKW<br />

zeitlicher Versatz zwischen Angebot und Nachfrage der Wärme<br />

• verfügbare Wärmeleistung bleibt nahe<strong>zu</strong> konstant<br />

• Nachfrage unterliegt täglichen, monatlichen und saisonalen Schwankungen<br />

• Heizleistung orientiert sich an der Maximallast an sehr kalten <strong>Tag</strong>en<br />

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Heizlastkurve Raumhei<strong>zu</strong>ng<br />

Jahreslastgang<br />

Kenngrößen Wärmeversorgung, Gemeinde in Schleswig-Holstein:<br />

• Wärmeverbrauch ca. 2.000 MWh / Jahr<br />

• Spitzenlast an kalten <strong>Tag</strong>en ca. 700 kW<br />

• Wärmeverbraucher: ca. 80 Wohngebäude, Altbau<br />

Jahreskurve der Heizlast:<br />

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Leistungs- und Nut<strong>zu</strong>ngssteigerung<br />

Wärmeversorgung durch Biogasanlage mit BHKW<br />

herkömmliche Methode <strong>zu</strong>r Nut<strong>zu</strong>ngssteigerung<br />

• Abdeckung von Leistungsspitzen mit anderen Energieträgern, z.B.<br />

Hackschnitzel-Heizwerk<br />

• Verlust großer Mengen an Abwärme in Warmperioden (selbst im Winter)<br />

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Leistungs- und Nut<strong>zu</strong>ngssteigerung<br />

Wärmeversorgung durch Biogasanlage mit BHKW<br />

Alternative großer <strong>Wärmespeicher</strong><br />

• <strong>Wärmespeicher</strong> mit 1.000 – 5.000 m³ Wasservolumen<br />

• Speicherung der überschüssigen Abwärme<br />

• Leistungssteigerung aus großer Speicherkapazität an kalten <strong>Tag</strong>en<br />

• kein <strong>zu</strong>sätzliches Hackschnitzel-Heizwerk erforderlich<br />

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energetischer Nutzen<br />

BHKW 350 kW thermisch, <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

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energetischer Nutzen<br />

BHKW 350 kW thermisch, <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

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energetischer Nutzen<br />

BHKW 350 kW thermisch, <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

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Systemschema – Biogasanlage<br />

mit BHKW und Nahwärmenetz<br />

Einfaches Systemschema Nahwärmenetz<br />

mit Verbrauchern <strong>für</strong> Raumhei<strong>zu</strong>ng und Trinkwassererwärmung<br />

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Systemschema – Biogasanlage mit BHKW,<br />

Nahwärmenetz und saisonalem <strong>Wärmespeicher</strong><br />

Einfaches Systemschema Nahwärmenetz<br />

ergänzt durch einen saisonalen <strong>Wärmespeicher</strong><br />

mit größerer Wärmeleistung und damit <strong>zu</strong>sätzlichen Verbrauchern<br />

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BHKW und saisonale Speicherung<br />

Variation von BHKW-Leistung und Speichergröße<br />

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Jahressimulation Nahwärmenetz mit BHKW 350 kW<br />

und <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

Heizlastkurve in [W]<br />

Temperaturverlauf<br />

<strong>Wärmespeicher</strong> in [°C]<br />

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<strong>Wärmespeicher</strong><br />

Biogasanlage mit BHKW<br />

Intervallbetrieb BHKW<br />

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Intervallbetrieb BHKW<br />

Wärmeversorgung durch Biogasanlage mit BHKW<br />

Intervallbetrieb, stromgeführt<br />

• 390 kW therm. Motorleistung 620 kW therm. Motorleistung<br />

• 100% Einschaltdauer 60% Einschaltdauer<br />

• BHKW 4h Nachts von 23:00-3:00 ausgeschaltet<br />

• BHKW 48h am Wochenende (Sa, So) ausgeschaltet<br />

• <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

• maximale Heizleistung Nahwärmenetz ca. 700 kW<br />

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S 20


Intervallbetrieb BHKW<br />

Wärmeversorgung durch Biogasanlage mit BHKW<br />

Montag, 3:00 Uhr<br />

Montag, 23:00 Uhr<br />

Dienstag, 3:00 Uhr<br />

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Regelbetrieb BHKW<br />

Wärmeversorgung durch Biogasanlage mit BHKW<br />

Leistungskurve elektrisch BHKW 1.400kW<br />

Werktags, 00:00-24:00 Uhr<br />

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Regelbetrieb BHKW<br />

Wärmeversorgung durch Biogasanlage mit BHKW<br />

Strompreistabelle<br />

Werktags, 00:00-24:00 Uhr<br />

Leistung installiert 1.400kW elektrisch<br />

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Intervallbetrieb / Regelbetrieb<br />

Wärmeversorgung durch Biogasanlage mit BHKW<br />

<strong>Wärmespeicher</strong> ermöglicht Intervallbetrieb/Regelbetrieb<br />

• ohne Einfluss auf die Vorlauftemperatur <strong>für</strong> das Nahwärmenetz<br />

• ohne Einfluss auf die gesamte jährliche Heizleistung (ca. 2.000 MWh)<br />

• Speichertemperatur sinkt am Wochenende um nur 2-3 Kelvin<br />

• Speichertemperatur steigt Mo-Fr wieder um 2-3 Kelvin<br />

• wärmegeführter Betrieb nur an wenigen <strong>Tag</strong>en im Feb und März<br />

(Speichertemperatur <strong>zu</strong> gering <strong>für</strong> Vorlauftemperatur)<br />

• Verzicht auf Ergän<strong>zu</strong>ng durch ein Hackschnitzel-Heizwerk<br />

• Überbrückung der Wärmeversorgung durch die gespeicherte Wärme<br />

<strong>für</strong> 1-2 Wochen möglich<br />

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Gegenüberstellung<br />

<strong>Wärmespeicher</strong> – Hackschnitzelheizwerk<br />

• Hackschnitzelheizwerk hat sehr wenig Vollaststunden<br />

• kWh Energie aus Hackschnitzelheizwerk ca. 12ct (heute)<br />

• in Gesamtbetrachtung Hackschnitzelheizwerk teurer als <strong>Wärmespeicher</strong><br />

• keine weiterer Brennstoff bei <strong>Wärmespeicher</strong> erforderlich<br />

• Leistung Hackschnitzelheizwerk ohne BHKW nicht ausreichend<br />

• Leistung Speicher kann auch kpl. Betriebsunterbrechungen überbrücken<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

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<strong>Wärmespeicher</strong><br />

<strong>Wärmespeicher</strong><br />

Eigenschaften, Bauweise<br />

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<strong>Wärmespeicher</strong> <strong>cupasol</strong> GmbH<br />

Eigenschaften<br />

besondere Eigenschaften des Langzeit-Energiespeichers<br />

• Speichermedium Wasser<br />

• druckloser Betrieb<br />

• zylindrische Bauform<br />

• Speichertemperatur <strong>bis</strong> ca. 95°C<br />

• allseitig isoliert<br />

• oberirdisch, freistehend<br />

• geschlossenes System, Wasser bleibt im Speicher<br />

• Wärmetauscher <strong>für</strong> Be- und Entladung der Wärmeenergie<br />

• beliebige Größen von 500m³ <strong>bis</strong> 5.000m³ oder mehr realisierbar<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

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<strong>Wärmespeicher</strong> <strong>cupasol</strong> GmbH<br />

Bauweise<br />

Dichtschicht<br />

Stahlbeton<br />

Schaumglasschotter<br />

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Fassade<br />

Deckel,<br />

Dämmung PU, EPS<br />

Stahlbeton<br />

Erdwall<br />

Drainage<br />

Dämmung<br />

PU, EPS<br />

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<strong>Wärmespeicher</strong> - Größe<br />

Vergleich verschiedener Speichergrößen<br />

Energieverlust und Speichergröße<br />

• Annahme: gleiche Dämmung, gleicher U-Wert<br />

• der Wärmeverlust findet nur über die Oberfläche statt<br />

Speicher<br />

Quotient aus<br />

Volumen in m³ Oberfläche in m² Oberfläche/Volumen<br />

1 6 6,00<br />

100 120 1,20<br />

1.000 580 0,58<br />

5.000 1.670 0,33<br />

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<strong>Wärmespeicher</strong><br />

<strong>Wärmespeicher</strong><br />

Betrachtung der Wirtschaftlichkeit<br />

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Wirtschaftlichkeitsberechnung<br />

BHKW 350 kW thermisch, <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

Vergleichsvariante 1<br />

• Nachwärmenetz ohne Großspeicher<br />

• BHKW 350 kW<br />

• kleiner Pufferspeicher 80 m³ <strong>für</strong> Spitzenlast<br />

• 1.300 MWh/Jahr Wärmeabgabe am Verbraucher<br />

Vergleichsvariante 2<br />

• erweitertes Nachwärmenetz mit Großspeicher<br />

• BHKW 350 kW<br />

• großer <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

• 2.000 MWh/Jahr Wärmeabgabe am Verbraucher<br />

Fermenterheit<strong>zu</strong>ng 60 kW bereits berücksichtigt; ca. 500MWh/ Jahr<br />

Vergütung <strong>für</strong> Strom bleibt konstant bei stetig steigenden Biogaserzeugungskosten.<br />

Der Wärmeerlös steigt jährlich im Rahmen der durchschnittlichen Energiepreissteigerung.<br />

Zukünftiger Betrieb <strong>für</strong> bedarfsgerechte Stromerzeugung (Regelenergie) kann mit einem großen Speicher sehr gut realisiert werden.<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

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21.02.2013<br />

S 31


Wirtschaftlichkeitsberechnung<br />

BHKW 350 kW thermisch, <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

umsetzbare Wärmeenergie nach Ab<strong>zu</strong>g<br />

aller Verluste<br />

geschätzte Investitionen<br />

KWK Vergütung <strong>für</strong> Wärmeverluste im<br />

Nahwärmenetz<br />

KWK Vergütung <strong>für</strong> verkaufte<br />

Wärmemenge an Endkunden<br />

jährliche Mehr-Einnahmen durch<br />

<strong>Wärmespeicher</strong><br />

Nahwärmenetz ohne Großspeicher<br />

ca. 1.300.000 kWh<br />

kleiner Pufferspeicher mit 80 m³: 100.000 €<br />

./. KfW Zuschuss 30%: 30.000 €<br />

Investition Pufferspeicher: 70.000 €<br />

Investition Nahwärmenetz ca. 1200 m: 415.500 €<br />

Summe Investition: 485.500 €<br />

Netz : 340.000 kWh x 0,03 € = 10.200 €<br />

1.300.000 kWh x 0,03 € = 39.000 €<br />

Umsatz Arbeitspreis 4,462 ct/kWh 1.300.000 kWh x 0,0462 € = 60.060 €<br />

Betriebskosten ./. Wartung: 0 €<br />

jährlichr Umsatz durch Wärmenut<strong>zu</strong>ng 10.200 + 39.000 + 60.060 = 109.260 €<br />

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Nahwärmenetz mit Großspeicher<br />

ca. 2.000.000 kWh<br />

großer Saisonalspeicher 3.000 m³: 538.000 €<br />

./. KfW Zuschuss 30%: 161.400 €<br />

Investition Pufferspeicher: 376.600 €<br />

Investition Nahwärmenetz ca. 1900 m: 561.000 €<br />

Summe Investition: 937.600 €<br />

Netz: 526.000 kWh x 0,03 € = 15.780 €<br />

2.000.000 kWh x 0,03€ = 60.000 €<br />

2.000.000 kWh x 0,0462 € = 92.400 €<br />

./. Wartungsvertrag <strong>Wärmespeicher</strong>: 1.500 €<br />

15.780 + 60.000 + 92.400 -1.500 = 166.680 €<br />

21.02.2013<br />

57.420 €<br />

S 32


Amortisation <strong>Wärmespeicher</strong> 3.000 m³<br />

<strong>für</strong> BHKW 350 kW thermisch, incl. Netzvergrößerung<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

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21.02.2013 S 33


Förderung Marktanreizprogramm KfW<br />

(Aus<strong>zu</strong>g aus dem Gesamtprogramm)<br />

Übersicht aktuelle Förderkonditionen KfW (Stand Aug 2012)<br />

Themen Solar, Nahwärme und <strong>Wärmespeicher</strong>ung<br />

Hinweis: der Förderantrag ist vom Auftraggeber vor Auftragsvergabe <strong>zu</strong> stellen<br />

Stichwort: „Erneuerbare Energien Premium“ oder „Innovationsförderung“<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

S 34


Langzeit-Energiespeicher<br />

Nutzen <strong>für</strong> den Betreiber<br />

finanzieller Gewinn durch<br />

• einen höheren Wirkungsgrad der Gesamtanlage<br />

• den Verkauf größerer Energiemengen<br />

• staatliche Förderung<br />

ökologisches Image durch<br />

• Verzicht auf fossile Brennstoffe <strong>zu</strong>r Ergän<strong>zu</strong>ng<br />

• Verringerung der Umweltbelastung<br />

• umweltfreundliches Speichermedium<br />

wirtschaftliche Unabhängigkeit von<br />

• Energielieferanten<br />

• steigenden Energiepreisen<br />

• Inflation<br />

Sicherheit durch<br />

• Abdeckung von Spitzenlasten und Wartungsintervallen<br />

• Wartungsvertrag und elektronische Überwachung der Anlage<br />

• exakte Vorausberechenbarkeit der Betriebskosten<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

S 35


Nutzen <strong>für</strong> den Betreiber,<br />

ökologischer und ökonomischer Nutzen<br />

ökologischer Nutzen<br />

• Steigerung des thermischen Wirkungsgrades des BHKW<br />

• Steigerung des gesamten Wirkungsgrades des BHKW<br />

• keine <strong>zu</strong>sätzliche Biomasse erforderlich<br />

ökonomischer Nutzen<br />

• Erzielung von <strong>zu</strong>sätzlichem Umsatz und Gewinn aus Wärmeverkauf<br />

• jährlich steigende Erlöse durch Wärmepreissteigerung (im Ggs. Zur<br />

konstanten Einspeisevergütung bei Strom)<br />

• sehr geringer <strong>zu</strong>sätzlicher betriebsgebundener Aufwand<br />

(Betriebskosten, Arbeitsaufwand)<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

S 36


Impressionen aus unserem Designwettbewerb<br />

Christoph Sommer – „Gabionenwand“<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

S 37


Impressionen aus unserem Designwettbewerb<br />

Samy Aouchta – „farbige Holzstäbe“<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

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Schlussbemerkung<br />

großvolumige <strong>Wärmespeicher</strong> stellen eine<br />

ökologisch und ökonomisch optimale Ergän<strong>zu</strong>ng<br />

<strong>für</strong> Blockheizkraftwerke dar.<br />

Im Intervall- oder Regelbetrieb des BHKW<br />

bleibt die Wärmeversorgung<br />

durch den großen <strong>Wärmespeicher</strong> gesichert.<br />

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Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

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Vielen Dank<br />

<strong>für</strong> Ihre Aufmerksamkeit.<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

S 40


<strong>cupasol</strong> GmbH<br />

Bahnhofstraße 11<br />

88214 Ravensburg<br />

Tel: 0751 - 76 96 26 - 70<br />

Fax: 0751 - 76 96 26 - 75<br />

E-mail: info@<strong>cupasol</strong>.com<br />

Internet: www.<strong>cupasol</strong>.com<br />

<strong>cupasol</strong> GmbH - Bahnhofstraße 11 - 88214 Ravensburg; Robert Hegele, Marco Eckardt<br />

Vortrag: <strong>Wärmespeicher</strong> <strong>für</strong> ein <strong>Tag</strong> <strong>bis</strong> <strong>zu</strong> 6 <strong>Monate</strong>, Wärmetag 1, Fachverband Biogas, 14.02.2013, Bernstadt<br />

21.02.2013<br />

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