Forschung für unsere Zukunft

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store4grid Optimierte Erdbecken-Wärmespeicher für Nahwärmenetze

Unabhängig davon, wie die zukünftige Energieversorgung sich zusammensetzen wird (fossil, erneuerbar mit oder ohne Atomenergie oder Mischsysteme) – das zeigen alle Szenarien [IER Uni Stuttgart, ITT DLR, Wuppertal Institut, FHG ISE] – die Abwärme aus der Stromproduktion wird in Zukunft so wertvoll sein, dass eine Speicherung von Wärme im großen Maßstab vorteilhaft sein wird (Mangold 2009). Insbesondere wenn 100 % erneuerbare Energieträger angestrebt werden, auch auf Basis von saisonaler Speicherung von EE-Gas (siehe z.B. (Feist 2014)), sind langfristig große Wärmespeicherkapazitäten erforderlich. Mittel- bis kurzfristig können durch den erhöhten Einsatz von solarthermischen Systemen CO2-Reduktionsziele erreicht werden. Die insbesondere in Österreich stark vertretenen Biomassenetze können durch den Einsatz von Solarthermie und Wärmespeichern optimiert werden. Häufig wird derzeit die Optimierung von solar unterstützten Nahwärmesystemen durch den Einsatz von Wärmepumpen diskutiert. Der Erhöhung des Anteils an erneuerbarer Energie steht in der Regel eine Erhöhung der Effizienz der Energie- bzw. der Wärmeversorgung entgegen. Eine detaillierte Systembetrachtung durch Simulation ist notwendig, um eine optimal abgestimmte Lösung mit maximaler Primärenergieeinsparung zu entwickeln. Die Wirtschaftlichkeit von Großwärmespeichern ist derzeit nicht gegeben. Saisonale Wärmespeicherung wird aufgrund der geringen Zyklenzahlen auch in Zukunft kaum wirtschaftlich darstellbar sein. Durch intelligente Konzepte mit Multifunktionsspeichern kann eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden. Die Untersuchung des technischen und wirtschaftlichen Potentials Solarthermie, Wärmepumpe und Wärmespeicher in Wärmenetze einzubinden erfordert genaue (und ausreichend schnelle) Simulationsmodelle für Wärmespeicher verschiedener Bauarten.

Ausgangssituation

Saisonale Wärmespeicher wurden im Ausland bereits vor Jahrzehnten realisiert. Erfahrungen daraus zeigen, dass die qualitativen Anforderungen hoch sind, sehr hohe spezifische Speicherkosten entstehen und langfristig die Erwartungen nicht erfüllt wurden. Dennoch haben die Beispiele gezeigt, dass hohe solare Deckungsgrade bzw. hohe Ressourceneinsparungen möglich sind. In Österreich wurden, überwiegend Einfamilienhäuser mit großen Saisonalen-Tankspeichern ausgestattet, wodurch gezeigt wurde, dass 100 %ige solare Deckungsgrade erreichbar sind bzw. Wärmenetze mit kurzfristigen Lastausgleichsspeichern ausgestattet.

 

Projektverlauf

Durch die Modellierung von Speicherkonzepten und deren Simulation in Wärmenetzen wurden Ergebnisse und Parameter erarbeitet, wonach:

  • Wärmenetze langfristig besser auf Angebot- und Nachfrageschwankungen reagieren können.
  • dezentrale und/oder fluktuierende Energiebereitstellung eingebunden werden kann.
  • hohe Deckungsgrade bei solarthermischen (Groß-)Anlagen erreicht werden.
  • der Rohstoffeinsatz minimiert wird.

 

Im Projekt Store4grid wurde das Gesamtsystem Wärmenetz und Langzeitwärmespeicher untersucht. Es wurde versucht ein energetisches aber auch ein ökonomisches Optimum zu finden. Hierfür wurden:

  • Baudetails und Ausführungspläne für Erdbecken-Wärmespeicher erstellt.
  • Möglichkeiten von Hochtemperaturwärmepumpen, die die Effizienz der Speicher erhöhen, flexibel in der Lastanforderung sind und in bestehende Wärmenetze integriert werden können, untersucht.
  • Be- und Entladestrategien für die unterschiedlichen Speicherkonzepte (Hydraulik) betrachtet.
  • eine energetische und ökonomische Bewertung von Systemkonzepten und Integrationsmöglichkeiten für bestehende Wärmenetze durchgeführt.
Ergebnisse

Im Projekt Store4grid konnte erfolgreich eine Simulationsumgebung aufgebaut werden, in der Langzeitwärmespeicher mit Solarthermie und Wärmepumpe in Wärmenetzen abgebildet werden können. Die Möglichkeiten des Einsatzes einer Hochtemperatur Wärmepumpe konnten spezifiziert werden. Konstruktionsdetails von Erdbeckenwärmespeichern wurden untersucht und bewertet. Dämmungen wurden im Labor auf ihre Eignung hin untersucht. Der Langzeitwärmespeicher selbst, sowie das gesamte Erzeugersystem, wurden in einer Simulationsumgebung abgebildet und schließlich in eine Wärmenetzumgebung integriert.

Es konnte gezeigt werden, dass mit dem gewählten System hohe Solare Deckungsgrade möglich sind. Eine Vollversorgung von Netzen mit Niedrigstenergiegebäuden mittels Solarthermie, Langzeitwärmespeicher und Wärmepumpe ist machbar. Jedoch ist noch weiterer Entwicklungs- bzw. Forschungsbedarf gegeben, um die Technologie auch in bestehende Wärmenetze, mit schlechteren Dämmstandards, zu integrieren, erste Pilotprojekte zu initiieren, und auch die Kosten auf ein marktfähiges Niveau senken zu können.

Steckbrief

Projektnummer
838664
Koordinator
AEE Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE Niederösterreich - Wien
Projektleitung
Daniel Reiterer, reiterer@aee-now.at
Partner
Universität Innsbruck – Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften
Austrian Institute of Technology
TU Graz – Institut für Wärmetechnik
Pink GmbH
Schlagwörter
Saisonale Wärmespeicherung
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
01.2013 - 06.2017
Budget
408.367 €