Saisonale Speicher zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien für Distrikte

Fernwärmenetze, die vollständig mit erneuerbaren Energien versorgt werden, benötigen sehr große Speicher, um große Mengen von erneuerbarer Wärme bzw. Abwärme über eine Saison speichern zu können und ermöglichen ein hohes Maß an Flexibilität für Fernwärmenetze.

Im Vergleich zu großen Wärmespeichern, die derzeit im Einsatz sind, ist ein zehnfaches Wärmespeichervolumen notwendig, und gleichzeitig muss dieses große Volumen im städtischen Bereich unterirdisch untergebracht werden. Das führt zu hohen Anforderungen in Bezug auf Materialien und Konstruktionen für diese Giga-Speicher. Das österreichische Leitprojekt giga_TES zielt darauf ab, Großspeicherkonzepte für Distrikte zur Einbindung eines hohen Anteils erneuerbarer Energien zu entwickeln, mit Fokus auf realisierbaren österreichischen Umsetzungen.

 

 

Fotoquelle: Arcon-Sunmark
HERAUSFORDERUNGEN

An drei verschiedenen österreichischen Standorten werden die wichtigsten Herausforderungen wie Konstruktion, Geologie und Geophysik, Material, Fernwärmenetz, Betriebsverhalten, Ökonomie, öffentliche Akzeptanz etc. untersucht. Die drei Standorte werden dem Projekt als Fallstudien zur Verfügung stehen.

Wärmespeichertypen
Wärmespeichertypen
Quelle: Solites
Geologie

Geologie

Hydrogeologie

Hydrogeologie

Quelle: Christoph Muser et al., Machbarkeits-Vorstudie eines saisonalen Groß-Wärmespeichers für Linz, Abschlussbericht der Sondierung, Mai 2015 (e!mission.at Forschungsprojekt Nr. 843937 des Klima- und Energiefonds)
Ziele
1
Ein umfassender Überblick über Erfordernisse und relevante Herausforderungen für den Einsatz und die Umsetzung von Giga-Wärmespeichern

sowie die Entwicklung eines wissenschaftlichen Entscheidungstools für repräsentative zukünftige Anwendungsszenarien international und für Österreich.

2

Entwicklung von innovativen, bestmöglichen Konstruktionsmethoden für Giga-Wärmespeicher

unter besonderer Berücksichtigung der Bodenbedingungen. Basierend auf fünf typischen Boden- und Gesteinsprofilen werden verschiedenartige bodenmechanische Ansätze für tiefe Beckenexkavationen bewertet sowie ihre Möglichkeiten dargestellt.

3

Ausarbeitung wirtschaftlicher und umsetzbarer Lösungen für kritische Speicherkomponenten wie Bodenplatte, Wände und Abdeckung.

4

Entwicklung von neuartigen polymeren und anorganischen Materialien für die Konstruktion von Giga-Wärmespeichern

sowie die Entwicklung von Tests und Methoden zur Beurteilung der Lebensdauer zur schnelleren und realistischeren Auslese und Vorqualifizierung dieser Materialien.

5

Entwicklung einer Methodologie, um den Anstieg der Bodentemperatur und der Grundwassertemperatur abhängig von spezifischen geo- bzw. hydrogeologischen Bedingungen und der Speicherkonstruktion vorherzusagen

Eine Ko-Simulationsplattform für die Optimierung von Systemkonfiguration und Regelungsstrategie wird entwickelt.

6

Bewertung des zusätzlichen Nutzens und der Bedeutung von großen Speichern in existierenden und zukünftigen Fernwärmenetzen


Analyse der Sensitivitäten und gegenseitigen Beeinflussung von Systemparametern mit Wirkung auf das Gesamtergebnis, sowie die Ableitung von Betriebsfenstern und optimierten Systemkonfigurationen für bekannte Randbedingungen und unter besonderer Beachtung österreichischer Randbedingungen.
Beispielhafte Umsetzungen
Fotoquelle: Solites
Komponenten eines Großwärmespeichers
(Liner bzw. Abdeckung)
Fotoquelle: Marstal Fjernvarme

Forschungsbereiche

01

Entwicklung von Komponenten und Technologien

02

Materialentwicklung und -prüfung

03

Computerunterstützte Speicheroptimierung

04

Systemintegration und Speichermanagement

Um als langfristiges Ziel eine Versorgung mit 100 % erneuerbarer Energie zu erreichen, benötigen Fernwärmenetze Großwärmespeicher wie Erdbecken- und Tankpeicher. Da diese Systeme in einem städtischen Umfeld umgesetzt werden, sollte die erforderliche Oberfläche minimiert werden, um den relativ hohen Grundstückspreisen Rechnung zu tragen. Durch die Verlegung der Speicher unter die Oberfläche und Nutzung der Oberfläche als Freizeitgelände bzw. zur Installation von Solarkollektorfeldern können minimierte Kosten erreicht warden. Fernwärmenetze beanspruchen thermische Energiespeichervolumina von 50 000 m³ bis zu einer Mio. m³, was einer Milliarde Litern entspricht. Derzeit werden große thermische Speicher in Deutschland und hauptsächlich in Dänemark betrieben, mit kürzlich errichteten Speichervolumina bis nahezu 200 000 m³.

Erfahrungen mit existierenden Großwärmespeichern für Fernwärmenetze sind aufgrund der niedrigen Anzahl und kurzen Lebensdauer der Speicher noch immer begrenzt. Verbesserungen sind vor allem in Bezug auf Leistung und Haltbarkeit der Materialien und der Komponentenentwicklung notwendig. Kosteneffizienz und Systemintegrationen machen höhere Speicherdichten und dadurch höhere Temperaturen erforderlich, was gleichzeitig noch höhere Anforderungen an die verwendeten Materialien stellt. Dampfdichtheit, Gebrauchsfähigkeit und Haltbarkeit innovativer Lösungen für Abdeckung und Wände sowie Isolierungen erfordern neuartige Materialien und Komponenten als auch verbesserte Testmethoden. Zusätzlich sind aufgrund der anvisierten Größe der thermischen Wärmespeicher und deren Konstruktion unter der Oberfläche neue Konstruktionsmethoden notwendig. Demzufolge gliedert sich das Projekt in folgende Forschungsbereiche: Entwicklung von Komponenten und Technologien, Materialentwicklung und -prüfung, Computerunterstützte Speicheroptimierung, Systemintegration und Speichermanagement

Materialentwicklung und -prüfung
Fotoquelle: Johannes Kepler Universität Linz (JKU) / Gernot Wallner
Computerunterstützte Speicheroptimierung
Fotoquelle: AEE INTEC
Systemintegration und Speichermanagement
Fotoquelle: AEE INTEC

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