Saisonale Speicher für Fernwärmenetze

nach unserer letzten Ausgabe hat uns ein sehr positives Feedback eines Lesers erreicht. Seiner Bitte eine Ausgabe zu saisonalen Speichern in Fernwärmenetzen zu machen, kommen wir mit unserem aktuellen Newsletter gerne nach. Insbesondere für Wärmequellen, deren Verfügbarkeit sich saisonal stark unterscheidet, lohnt die Betrachtung von Speichern, welche dieses Ungleichgewicht regulieren. Das bekannteste Beispiel dafür sind solarthermische Anlagen, welche im Sommer einen hohen Ertrag bei geringer Wärmeabnahme haben. Eine häufig eingesetzte Technologie sind Erdbecken-Wärmespeicher aber auch andere Speicherarten, insbesondere Erdsonden-Wärmespeicher erfahren durch die neuen Herausforderungen in der Wärmewende neue Beachtung. Wir haben drei aktuelle Artikel gefunden, die sich mit saisonalen Speichern und deren Einbindung in Fernwärmesysteme befassen. Die Forschungsergebnisse möchten wir kurz vorstellen.

Simulationsstudie zu verschiedenen Speichergeometrien

In dem ersten Artikel untersuchen A. Tosatto et al. zwei unterschiedliche Speicherkonzepte mit Hilfe einer Simulationsstudie. Daber untersuchen sie einen zylindrischen Speicher, sowie einen Speicher, welcher in einer flachen Grube integriert ist (engl. shallow pit storage). Beide Speicher haben das gleiche Volumen von 200.000 m³. Dieses große Volumen übersetzt sich in einen Zylinder mit einem Durchmesser von 63,57 m und einer Höhe von 63 m, sowie einer Grube mit einem Durchmesser zwischen 176,58 m (oben) und 141,94 m. Die Höhe der Grube beträgt 10 m. Die beiden Konzepte unterscheiden sich in der Geometrie und den dadurch notwendigen Tiefbauarbeiten bzw. Platzbedarf. Der Speicher wird in der vorgestellten Studie von einer Wärmequelle im Sommer gespeist. Neben der direkten Nutzung des Speichers erlaubt eine Wärmepumpe den Speicher dann weiter zu entladen, wenn die Temperatur im Speicher nicht mehr zur Temperierung des Wärmenetzes ausreicht.

Der Speicher und die Wärmepumpe selbst wird im Simulationsmodell als gleichungsbasiertes eindimensionales System abgebildet. Um die Wärmeverluste gegenüber dem Erdreich genauer zu untersuchen, wird dort die Finite-Elemente-Methode angewendet. Wird nur der Speicherwirkungsgrad betrachtet, ergibt sich aus der Simulationsstudie ein deutlich besserer Wirkungsgrad für den zylindrischen Speicher, was hauptsächlich auf den Zusammenhang zwischen Oberfläche und Volumen und damit die geringeren Verluste zurückzuführen ist. Wird aber zusätzlich auch die Wärmepumpe in Ihren unterschiedlichen Betriebsmodi und den zur Verfügung stehenden Temperaturen betrachtet, gleichen sich die Effizienzen beider Systeme an. Uns hat diese Studie wieder einmal gezeigt, wie wichtig eine multi-kriterielle Bewertung von komplexen Energiesystemen ist. Neben der energetischen Bewertung muss auch die wirtschaftliche und planerische Komponente berücksichtigt werden.

Erdsonden-Wärmespeicher für Heizen und Kühlen

Der zweite Artikel von M. Fiorentini et al. stellt einen Erdsonden-Wärmespeicher vor. Der Wärmespeicher ist in dem Use Case an ein Wärmenetz sowie Kältenetz gekoppelt. In vielen unserer Projekte sehen wir auch das Bestreben, dass die Synergien zwischen Wärme- und Kältebedarf stärker ausgenutzt werden. Eine mögliche Anwendung der vorgestellten Variante sehen wir neben separaten Netzen auch in Wärmenetzen der 5. Generation.

Im Sommer arbeitet die Kompressionskältemaschine gegen das Erdreich und kann somit mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten und erwärmt das Erdreich. Das erwärmte Erdreich kann im Winter dann als Wärmequelle für Wärmepumpen im Wärmenetz genutzt werden. Mit Hilfe eines Simulationsmodells werden unterschiedliche Konfigurationen zwischen 158 – 466 Sonden mit einer jeweiligen Bohrtiefe zwischen 53,4 m und 91,7 m getestet. Die maximale Leistung des Systems wird mit etwa 3 MW fürs Heizen und 1 MW fürs Kühlen angegeben.

Ziel der Studie ist es nicht nur die technischen Parameter und den Betrieb des Systems mit der Simulationsstudie zu ermitteln, sondern auch den Speicher nach wirtschaftlichen Kriterien zu optimieren. So konnte zum Beispiel anhand des Modells gezeigt werden, dass sich die optimale Größe des Systems mit der Höhe des CO₂-Preises korreliert ist. Je höher dieser ist, desto größer ist der optimale saisonale Speicher, da mit größeren Speichern die CO₂-Emissionen reduziert werden können. Die Studie führt eine große Anzahl von Sensitivitäten durch. Auch hier wird deutlich, dass eine diskrete Betrachtung einer Bewertungsgröße häufig nicht zielführend ist.

Open-Data für einen Speicher mit solarthermischen Kollektoren

I. Sifnaios et al. stellen zusammen mit ihrem Paper Messdaten des Speichersystems über einen Zeitraum von sechs Jahren zu Verfügung (siehe: https://github.com/PitStorages/DronninglundData). Der Speicher im dänischen Dronninglund war bereits Gegenstand mehrerer Untersuchungen und Simulationsstudien, jedoch wurden oft unterschiedliche Methoden zur Pre- und Post-Processing der Messdaten benutzt. Um dies zu vereinheitlichen werden die Messdaten online gestellt. Das Paper gibt einen Überblick über die vorhandenen Messpunkte und liefert darüber hinaus eine Übersicht über die Qualität der Daten. Außerdem wird ein Vorschlag unterbreitet, wie fehlenden Daten ersetzt werden können.

Der Speicher in Dronninglund ist ein Erdbeckenspeicher mit einer Kapazität von 60.000 m³. Die Solarkollektoren haben eine Fläche von 37.573 m² und laden den Speicher im Sommer. Die thermische Energie im Speicher kann direkt im Wärmenetz oder über eine Absorptionswärmepumpe (angetrieben durch Biomasse-Kessel) als Wärmequelle genutzt werden. Der gemessene Speicherwirkungsgrad liegt bei über 90 %.

Eine großartige Initiative von I. Sifnaios et al., die wir an dieser Stelle gerne teilen.

Weitere Informationen

Die ausgewählten Artikel zeigen, dass bei der Auswahl und Auslegung von saisonalen Speichern eine multikriterielle Bewertung besonders wichtig ist. Hohe Investitionen in die Speicher machen es notwendig, dass auch der Betrieb über den gesamten Lebenszyklus früh betrachtet werden muss. Simulationen sind hier das geeignete Werkzeug. Vielen Dank an dieser Stelle für das schöne Feedback und die Anregung zum Thema.

Alle Artikel empfehlen wir wie immer in voller Länge:

• https://doi.org/10.1016/j.est.2023.106721
• https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125464
• https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.12.046

Die nächste Ausgabe unseres Newsletters erscheint am 5. April 2023. Bis dahin folgen Sie uns gerne auf LinkedIn wo wir kleinere Anwendungsbeispiele und Informationen mit Ihnen teilen.