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#860949

giga_TES Giga-Scale Thermal Energy Storage for Renewable Districts

Im Rahmen des Leitprojektes giga_TES wird ein umfassender Überblick über alle Anforderungen und relevanten Randbedingungen für den Einsatz und die Implementierung von Großwärmespeichern gegeben. Des Weiteren erfolgt die Entwicklung von KPIs zur Vorbereitung der technisch-ökonomischen Bewertung und die Implementierung einer Entscheidungshilfe zur Auswahl repräsentativer Anwendungsszenarien in Österreich und international.
Die Entwicklung von neuartigen Materialien und Komponententechnologien mit einem Technologiereifegrad zwischen 4-5 (auf einer 9-stufigen Skala zwischen Forschung und Marktreife) bildet einen Schwerpunkt des Projektes. Im Detail wird an neuem polymeren Abdichtungsmaterial, neuen Bauverfahren und Betonrezepturen, neuartige Speicherkomponenten für Wände, Boden und Abdeckung gearbeitet. Mithilfe von Labor- und Feldtests sowie ersten Mock-ups werden die Material- und Komponententechnologien entwickelt und designet.
Darüber hinaus werden numerische Methoden zur Optimierung der thermischen, strukturellen und systemischen Integration sowie zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit auf Material-, Komponenten- und Systemebene erarbeitet. Im Detail wird eine simulationsgestützte Auslegung, Bewertung und Optimierung von thermischen Energiespeichern unter Berücksichtigung spezifischer Randbedingungen wie Größe, System, Standort und Hydrogeologie (Grundwasser) etc. durchgeführt. Die Optimierung erfolgt auf Komponentenebene (Abdeckung, Wand, Boden, Wärmebrücke, Stofftransport, Kondensation, Konvektion, Grundwasserströmung, Be- und Entladeeinrichtungen), auf Speicherebene (1D-Vorauslegung, 2D, detaillierte 3D-Einzelmodelle), auf Umgebungsebene (detaillierte Speicher- und Umgebungsmodelle unter Berücksichtigung spezifischer hydrogeologischer Bedingungen) sowie auf Systemebene (Systemmodelle einschließlich Wärmenetz, Erzeugung und Belastung).
Zudem wird der Mehrwert und die Auswirkungen einer großtechnischen Speicherung in bestehenden und zukünftigen Fernwärmesystemen evaluiert und die Sensitivität sowie gegenseitigen Einflüsse der Systemparameter analysiert und simuliert, sodass Betriebsfenster und optimierte Systemkonfigurationen für die gegebenen Randbedingungen ableitbar sind.
Diese Projektergebnisse liefern den industriellen Kernpartnern ausreichende Kenntnisse für eine Prototypenphase für thermische Energiespeicher im Giga-Bereich um nationale und internationale Vorreiter zu werden.

Ausgangssituation

Als Teil von Fernwärmenetzen werden Großwärmespeicher in Zukunft eine elementare Rolle spielen, um eine 100 %-ige Energieversorgung aus Erneuerbaren zu erreichen. Hier ermöglichen Erdbeckenspeicher eine saisonale Speicherung erneuerbarer Wärme sowie eine flexible Wärmespeicherung von industrieller Abwärme oder Power-to-Heat-Konzepten. Da derartige Systeme meist im urbanen Umfeld realisiert werden, muss aus Kostengründen die notwendige Oberfläche minimiert werden. Dies kann durch eine vertikale Bauweise sowie durch Doppelnutzung der Abdeckung erfolgen.
Großwärmespeicher wurden bis jetzt in Deutschland und vor allem in Dänemark realisiert. Die Volumina der neueren, momentan im Betrieb befindlichen Speicher liegen bei etwa 200.000 m³ Wasser. Langzeiterfahrungen mit derartigen Großspeichern sind begrenzt, zeigen aber Verbesserungsbedarf bezüglich Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit der verwendeten Materialien sowie bezüglich der Material- und Komponentenentwicklung in Hinblick auf Kosteneffektivität. Kosteneffektivität und effiziente Einbindung bedingen höhere Systemspeicherdichten durch höhere Temperaturen, was zu zusätzlichen Materialbelastungen führt. Dies zusammen mit gestiegenen Anforderungen an Dampfdurchlässigkeit, Wartbarkeit und Haltbarkeit verlangen nach neuen Materialien und Komponenten sowie nach verbesserten Haltbarkeitstestmethoden. Die angedachte Größe der Speicher und eine vertikale Bauweise erfordern zudem neue Bauverfahren. Die breiten wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen, das fundamentale Level einzelner Schritte der Material- und Technologieentwicklung sowie die enorme Größe derartiger Speicheranlagen bedürfen eines gezielten Forschungsvorhabens, an dem alle Hauptakteure der gesamten Wertschöpfungskette für thermische Großspeichersysteme teilnehmen.

 

Teaser Bild giga TES

(c) AEE INTEC

Projektverlauf

In den beiden abgeschlossenen Projektperioden lag der Fokus in der Ableitung von spezifischen Randbedingungen für Großwärmespeicher, der Identifikation von KPIs und der Auswahl von geeigneten Anwendungsszenarien. Des Weiteren war die Entwicklung von neuen Lösungen für Material- und Komponententechnologien von Wänden, Boden und Abdeckung ein Schwerpunkt, wobei erste Labortests und Mock-ups erstellt wurden.
Parallel wurde ein validiertes detailliertes Multiphysik-Speichermodell für Speicherentwurf, -optimierung und -auswertung sowie ein Bericht über die Simulationsmodelle, Methoden und Ergebnisse entwickelt. Zusätzlich erfolgte die Erstellung eines angepasstes und kalibriertes Grobstrukturmodell zur Systemsimulation.
Darüber hinaus war die Fertigstellung des Simulationsrahmens und die Einrichtung eines Arbeitsablaufs zur quantitativen Bewertung von giga_TES-Lösungen als Teil eines größeren Fernwärmesystems Hauptaugenmerk.
Die finale Projektperiode beschäftigt sich vorwiegend mit den Feldtests und Mock-ups aus der Material- und Komponentenentwicklung, sowie mit der Finalisierung der Simulationsmodelle basierend auf Komponenten, Material und Systemebene. Zusätzlich erfolgt die techno-ökonomische Analyse, Bewertung und Evaluierung der simulationsbasierten Anwendungsszenarien im Rahmen der Fernwärmesysteme Wien und Salzburg.

Meilensteine
1 Identifikation und Bewertung von charakteristischen Randbedingungen für thermische Großwärmespeicher
2 Entwicklung von KPIs zur techno-ökonomischen Bewertung von Großwärmespeichern
3 Auswahl repräsentativer österreichischer Standorte für Anwendungsszenarien von TES im Maßstab 1:1
4 Neuartige und optimierte technologische Lösungen für Hauptkomponenten für Wand- und Bodenteile, die verschiedene Lösungen für Grundwasserbarrieren, Wasserdampfsperre und Wärmedämmung in kontinuierlich
5 Entwicklung von schwimmenden Abdeckungstechnologien -Entwicklung neuer Materialien (Trägermaterialien, Betonmaterialien, Klebstoffen und Laminate) für Großwärmespeicher sowie Test- und Lebensdauerbew
6 Entwicklung und Testung eines Komponentenmodells für Großwärmespeicher
7 Entwicklung und Validierung eines detaillierten Multiphysik-Speichermodells für Speicherdesign, -optimierung und -bewertung
8 Entwicklung eines angepassten Grobstrukturmodells für Großwärmespeicher und Systemsimulationen
9 Entwicklung eines Simulationsrahmens für DH-Systeme mit integrierten giga_TES-Lösungen
10 Durchführung umfassender Systemsimulationen und ökologische / ökonomische / technische Analysen zur Bewertung der Anwendungsszenarien
11 Bewertung verschiedener Speicherkonfigurationen und Betriebsarten für verschiedene Anwendungsszenarien
Ergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurden bereits innovative Tiefbaukonzepte hinsichtlich Wandaufbau und Geometrie entwickelt. Ein Verfahren zur Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften des Bodens - die sogenannte Bohrpfahlwand – wurde entwickelt und als Patent angemeldet. Außerdem sind verschiedene Konzepte für die Nutzung der Speicheroberfläche (z.B. als Naherholungsgebiet) erarbeitet worden. Aufgrund von hohen Temperaturen und der gewünschten Belastung der Schwimmdecke stellte sich bei der Verarbeitung heraus, dass Stahlpontons besser geeignet sind als Betonpontons. Dies führte zu einer Patentanmeldung. Zusätzlich erfolgte die Erarbeitung einer Lösung mit einer eingetauchten Abdeckung - die ebenfalls für eine Patentanmeldung vorbereitet wird. Innovative Materialentwicklungen neuartiger Polymerwerkstoffe versprechen zudem eine erhöhte Lebensdauer gegenüber aktuell eingesetzten Materialien. Im Speziellen erfolgte die Validierung des Polypropylen-Auskleidungsmaterial, die Entwicklung von Betonrezepturen für Warmwasser-Alterungsexperimenten und die Untersuchung verschiedener hybrider Werkstofflaminate für den Deckel.
Mögliche Anwendungsszenarien der giga TES-Speicher in Kombination mit Dekarbonisierungsmaßnahmen wurden für zwei österreichische Städte (Wien, Salzburg) entwickelt und simulationstechnisch untersucht. Hierbei wurden durch detaillierte Systemsimulationen der entsprechenden Fernwärmesysteme und der jeweiligen Großspeicher bewertet, welchen Mehrwert ein solcher Speicher hat und wie ein Großspeicher optimal eingebunden werden kann. Ein wichtiges Instrument hier zur Identifikation von vielversprechenden Verwendungsmöglichkeiten ist die Bewertung von Sensitivitäten einzelner Parameter wie Speicherkonfiguration, Speichertemperaturen und verfügbare Wärme auf das Gesamtsystem. Die identifizierten Möglichkeiten werden dann in einer dynamischen Simulation vertiefend analysiert und konkrete quantitative Rückschlüsse zur Entscheidungsfindung bereitgestellt.
Die Materialentwicklungen und -prüfungen sowie die numerischen Simulationen und der Aufbau der Mock-ups werden im letzten Projektjahr finalisiert.
Veröffentlichte Ergebnisse und Publikationen sind auch auf der Projekthomepage unter www.gigates.at nachlesbar.