IEP - Energy Cell’s COP Measurement
Messung des COP-Wertes der EnergiCell
IEP - Instituto Electroténico Português
Energy Cell’s COP Measurement
10. Oktober 2023
1. Allgemeine Daten
1.1. Ort der Untersuchung:
Adresse
Stadtbezirk
Bezirk
PCI Creative Science Park, Raum 2002
3880, Ílhavo
Aveiro
1.2. Angaben zum Kunden:
Name
EnergyNetIQ LDA
1.3. Durchführung der Dienstleistung:
Termin
2023, Juli bis Oktober
1.4. Teilnehmer:
Auftraggeber
IEP
Herr Haslen Back, Frau Valeria Tutina
Modesto de Morais, Tiago Teixeira und Teresa Canelas
1.5. Messgeräte und Kalibrierungen
Bezeichnung
- Messung der Qualität der elektrischen Energie: HT SOLAR 300N,
SN: 19032890; M-2022-1000; - Messzange für elektrischen Strom: FLUKE 376FC,
SN: 43510155WS; M-2022-1111; - Wärmebildkamera: FLIR E75, SN: 78505439; M-2020-0513;
- K-Typ-Thermoelement: AKTAKOM, SN: 668860 M-2022-3481, M2022-3482,
M-2022-3483; - Luftmengenmesser: Regenbogen S400, CL-42824CD-22;
- Gamma- und Röntgenstrahlung: Graetz GammaTwin;
- Nicht-ionisierende Strahlung: Narda NBM-550 +GER Y2008 (SN: A-0551)
+ EHP-50F (SN: 100WY70291)
1.6. Umgebungsbedingungen
Temperatur
Relative Luftfeuchtigkeit
24 °C
65 %
2. Der Untersuchungsumfang
Das IEP wurde damit beauftragt, die Messung der relevanten Parameter im Zusammenhang mit der Berechnung der durch die EnergyNetIQ LDA durchgeführten Tests zur Ermittlung des Coefficient of Performance (COP) zu bestätigen:
- Der COP der EnergiCell (die Zufuhr von elektrischer DC-Energie geteilt durch die abgegebene thermische Energie).
- Der COP des Systems, das die EnergiCell-Stromversorgung umfasst.
3. Vorgeschlagene Messungen
Es wurden drei Tests (A, B und C) zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit einer Unterbrechung von 30 Minuten zwischen den einzelnen Tests durchgeführt (diese Unterbrechung dient dazu, der EnergiCell die nötige Zeit zum Abkühlen zu geben).
Im ersten Test (A) wurden 4 Messungen im Abstand von 5 Minuten über einen Zeitraum von 20 Minuten durchgeführt.
Beim zweiten Test (B) wurden 10 Messungen im Abstand von 10 Sekunden über einen Zeitraum von 1 Minute und 40 Sekunden durchgeführt.
Beim letzten Test (C) wurden 8 Messungen in einem Abstand von 2 Minuten über einen Zeitraum von 16 Minuten durchgeführt.
Die Entscheidung, mehrere Tests von unterschiedlicher Dauer und in unterschiedlichen Zeitabständen zwischen den Messungen durchzuführen, wurde getroffen, um die Genauigkeit der während der Untersuchung erzielten Ergebnisse zu gewährleisten.
Die folgenden Messungen wurden bestätigt:
- Die Eingangstemperatur;
- Die Ausgangstemperatur;
- Der Massendurchfluss ein/aus;
- Der Stromverbrauch des DC-Netzteils;
- Der elektrische Verbrauch der EnergiCell;
- Der Stromverbrauch der Stromversorgung der EnergiCell;
Darüber hinaus wurden wir gebeten, auch Folgendes zu messen:
- Die ionisierende Strahlung (Röntgenstrahlung und Gammastrahlung);
4. Die Berechnungen
Zur Berechnung des COP kommt die Gleichung [1] zum Einsatz:
[math]COP = \frac {G_2 \, (C_{pout} \, T_2 \, - \, C_{pin} \, T_1)}{N_{el}}[/math] |
[1] |
Dabei sind:
- Cpi die Wärmekapazität der Luft bei entsprechenden Temperaturen (kWh/(kg.K));
- G2 der Luftmassenstrom (kg);
- T1 die Lufttemperatur am Systemeingang und T2 die Lufttemperatur am Systemausgang, gemessen in Kelvin (K);
- Nel der elektrische Energieverbrauch (kWh) des Systems.
5. Die Untersuchungsergebnisse
Die im Folgenden dargestellten Testergebnisse wurden im laufenden Betrieb der EnergiCell erzielt (Test A, Messung in einem Testlauf von 4 - 20 Minuten). Im Rahmen des Validierungsprozesses wurden folgende Werte gemessen: die elektrische Spannung (Gleich- und Wechselstrom), die elektrische Stromstärke (Gleich- und Wechselstrom), der Gesamtenergieverbrauch, die Lufttemperatur (Einlass und Auslass) und das Volumen der durch die EnergiCell strömenden Luft. Die gemessenen Werte werden in Tabelle 1 wiedergegeben.
| Bezeichnung: | Werte: | Einheiten: | Kommentare: |
|---|---|---|---|
| Testlaufzeit Dt | 0,333 | h | |
| Leistung AC | 0,760 | kW | |
| Stromstärke DC | 0,654 | A | |
| Spannung DC | 0,800 | kV | |
| Leistung DC | 0,523 | kW | |
| Wärmekapazität der Luft am Eingang | 1,006 | kJ/(kg.K) | 307,15 K |
| Durchschnittliche Wärmekapazität der Luft am Ausgang | 1,046 | kJ/(kg.K) | 572,85 K |
| Luftdichte bei 1 atm und 300 K | 1,275 | kg/m3 | |
| Temperatur am Zelleneingang (Inlet) | 307,15 | K | 34,0 °C |
| Temperatur OUT 1 | 657,65 | K | 384,5 °C |
| Temperatur OUT 2 | 488,05 | K | 214,9 °C |
| Durchschnittstemperatur am OUT der Zelle | 572,85 | K | 299,7 °C |
| Thermische Energie | 0,3958 | kWh | |
| Elektrische Energie (AC) | 0,2533 | kWh | |
| Elektrische Energie (DC) | 0,1744 | kWh | |
| Wirkungsgrad der Stromversorgung DC | 68,84 % | ||
| COP (DC) | 2,27 | Ohne die Verluste der DC-Stromquelle |
Auf Wunsch des Kunden erfolgte gleich zu Beginn des Prüfvorganges eine Untersuchung hinsichtlich möglicher Emissionen von ionisierender Strahlung (Röntgen- und Gammastrahlung).
Dabei wurden (für die obige Messung) für ionisierende Strahlung die nachfolgenden Werte gemessen. Zu jeder dieser Strahlungsarten wurden 2 Messungen in unterschiedlichen Entfernungen durchgeführt, eine in der Nähe der EnergiCell und eine in größerer Entfernung, und dabei wurden folgende Messergebnisse erzielt:
- Gamma- und Röntgenstrahlung: 34 nSv/h (fern), 61 nSv/h (nah);
- Elektrisches Feld (zwischen 100 kHz und 3 GHz): 0,3 v/m (fern), 13,75 v/m (nah)
6. Diskussion
Aus den Testergebnissen, die in Abschnitt 5 dieses Berichtes wiedergegeben werden, sollten wir in erster Linie folgendes hervorheben:
- Es entstehen keine für den Menschen relevanten schädlichen Strahlungsemissionen wie Röntgen- oder Gammastrahlung.
Anhand der in der Tabelle [1] aufgeführten Daten und der Gleichung [1] haben wir die Leistungszahl der EnergiCell (Coefficient of Performance - COP) berechnet. Dieser CoP wurde für nur eine einzelne Konstellation berechnet:
- Es wird ausschließlich die Menge an elektrischer Gleichstromenergie berücksichtigt, welche der Zelle zugeführt wird, ohne Berücksichtigung der Verlustleistung an der Gleichstromquelle;
Tabelle 1 zeigt die folgenden Ergebnisse:
- COP (DC): 2,27.
Unter Ausschluss aller sekundären Verluste stellen wir fest, dass allein die EnergiCell einen Energieüberschuss [COP (DC)] in Form von Wärme liefern kann, der die zugeführte Menge an elektrischer Gleichstromenergie erhöht.
Wir betonen, dass Tabelle 1 nur ein Beispiel für eine der zahlreichen Messungen wiedergibt. Aus diesem Grund entspricht der in dieser Tabelle angegebene COP-Wert möglicherweise nicht dem tatsächlichen COP-Wert.
Um einen genaueren COP-Wert der EnergiCell zu erhalten, wurde der Gesamt-COP-Wert über alle Messungen gemittelt.
In Tabelle 2 sind daher alle COP-Werte aufgeführt, welche für jede der durchgeführten Messungen ermittelt wurden, sowie der Mittelwert, der Höchstwert und der Mindestwert.
Im Ergebnis erhielten wir den folgenden Wert:
- COP (DC): 2,40.
Zusätzlich zu diesen Informationen wurden für jede der Messungen sowohl die Standardabweichung als auch die Messunsicherheit berechnet.
| COP | Arithmetisches Mittel | Gewichteter Durchschnitt | Standardabweichung | Messunsicherheit | |||
| Versuch | Messung | DC | DC | DC | DC | DC | DC |
| A | 1 | 2,41 | 2,43 | 2,50 | 0,18 | 0,23 | 2,50 ± 0,23 |
| 2 | 2,31 | ||||||
| 3 | 2,73 | ||||||
| 4 | 2,27 | ||||||
| B | 1 | 2,66 | 2,39 | 2,34 | 0,38 | 0,32 | 2,34 ± 0,32 |
| 2 | 2,61 | ||||||
| 3 | 2,46 | ||||||
| 4 | 2,64 | ||||||
| 5 | 2,35 | ||||||
| 6 | 2,03 | ||||||
| 7 | 2,11 | ||||||
| 8 | 2,08 | ||||||
| 9 | 2,44 | ||||||
| 10 | 2,50 | ||||||
| C | 1 | 2,33 | 2,41 | 2,39 | 0,38 | 0,18 | 2,39 ± 0,18 |
| 2 | 2,33 | ||||||
| 3 | 2,52 | ||||||
| 4 | 2,54 | ||||||
| 5 | 2,21 | ||||||
| 6 | 2,26 | ||||||
| 7 | 2,57 | ||||||
| 8 | 2,50 | ||||||
| Durchschnitt | 2,40 | 2,41 | 2,41 | 0,31 | 0,24 | 2,41 ± 0,24 | |
| Mindestwert | 2,03 | 2,39 | 2,34 | 0,18 | 0,18 | ||
| Höchstwert | 2,73 | 2,43 | 2,50 | 0,38 | 0,32 | ||
Der endgültige COP-Wert, der berücksichtigt werden sollte, lautet wie folgt (mit seiner entsprechenden Messunsicherheit):
- COP (DC): 2,41 ± 0,24.
Dieser Wert der Messunsicherheit ist darauf zurückzuführen, dass der COP-Wert keine konstante Größe darstellt und im Laufe der Zeit stark schwankt, wie aus den nachstehenden Diagrammen zu ersehen ist. Jedes der Diagramme veranschaulicht einen der Tests (A, B und C) und stellt in grafischer Form die jeweiligen Fehlerbalken für jede durchgeführte Messung dar.
7. Schlussfolgerung
Tatsächlich haben wir aus den erhaltenen Messergebnissen einen Wert für die Leistungszahl (Coefficient of Performance - COP) des EnergiCell-Gerätes errechnet, demzufolge die elektrische Energie, die dem Gerät zugeführt wird, für den COP DC auf etwa das Zweifache ansteigt.
Alle Umgebungsbedingungen sowie alle relevanten elektrischen und thermodynamischen Parameter wurden mithilfe kalibrierter Instrumente überwacht.
Darüber hinaus treten auch keinerlei schädliche ionisierende Strahlungen oder Funkfrequenzen auf, die den menschlichen Körper schädigen oder andere elektrische oder elektronische Geräte beeinträchtigen könnten.
Beachten Sie, dass nach der letzten Untersuchung eines der Thermoelemente entfernt wurde (Thermoelement T3, welches sich in der Mitte des Auslasses der EnergiCell befand), so dass nur noch drei Thermoelemente verblieben sind, eines am Eingang und zwei am Ausgang der Zelle. Das Thermoelement wurde entfernt, weil das Einblasen von Luft in die Energiezelle zu einem Wirbeleffekt führt, welcher wiederum zur Folge hat, dass die Temperatur an den Außenseiten der Zelle höher ist als die Temperatur in deren Mitte. Folglich war die Anbringung eines dritten Thermoelementes in der Mitte der Zelle nicht sehr sinnvoll, weil es zu einer drastischen Senkung des Wertes für die Durchschnittstemperatur am Ausgang der Zelle führen und am Ende nicht den tatsächlichen Wert des COP wiedergeben würde.
Anmerkung: Die IEP-Mitarbeiter, die den Messvorgang vor Ort unterstützt und geprüft haben, haben das gesamte System der EnergiCell als eine Blackbox behandelt. Wir haben lediglich die eingespeiste elektrische Energie, die Menge an zugeführter Luft und die abgegebene Wärmeenergie überwacht. Unter Verwendung der maßgeblichen Standardkonstanten haben wir daraus die COP-Werte ermittelt.
8. Diagramm
Schematische Darstellung der EnergiCell sowie aller Ein- und Ausgänge, die zur Bewertung der Effizienz der Zelle überwacht werden können.
