Baukonzepte für große thermische Energiespeicher

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1 Baukonzepte für große thermische Energiespeicher Dipl.-Ing. Dirk Mangold, Institutsleiter Vortrag an der 2. Fachtagung g Wärmespeicher, Messe Stuttgart, Steinbeis Forschungsinstitut für solare und zukunftsfähige thermische Energiesysteme Meitnerstr. 8 D Stuttgart

2 SNAB München: Bau des Heißwasser-Wärmespeichers

3 Baukonzepte für große thermische Energiespeicher Einführung Technologien saisonaler Wärme- und Kältespeicher Pilotvorhaben und Entwicklungsstand

4 Solites - Forschungsinstitut der Steinbeis Stiftung Steinbeis Stiftung für Wirtschaftsförderung Deutschlands größtes Technologietransferunternehmen Zentrale in Stuttgart, Jahresumsatz 2009: über 100 Mio Stiftung als Holding mit mehreren Tochterunternehmen Solites als Teil des Steinbeis Unternehmensverbundes Gegründet 2005 von zwei ehemaligen Wissenschaftlern des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart Forschung, Entwicklung und Beratung z. Bsp. Für IEA/ OECD, EU DG Tren, BMU, BMFT, Wirtschaftsministerium Ba-Wü, Landwirtschaftsministerium Ba-Wü, Stadt München, Stadtwerke Crailsheim, Saga GWG AG, Marstal Fjernwarme, Foster and Partners, Bauträger, Planungsbüros, Unternehmen, Industrieverbände, Forschungseinrichtungen Leitung/ Mitglied mehrerer Expertenkreise

5 Thermal Energy Storage Funktionsprinzip Ist die Wärmeerzeugung zeitlich entkoppelt oder verschoben zum Wärmebedarf, so muss diese erzeugte Wärme in einem Wärmespeicher zwischengespeichert werden (Beispiel: solare Wärmeerzeugung). WÄRMEERZEUGER WÄRMESPEICHER WÄRMEABNEHMER Wärmebedarf Wärmemenge Solare Einstrahlung (relativ) J F M A M J J A S O N D

6 Technologien zur zukünftigen Deckung des (Welt-)Energiebedarfs Eine von sechs Zukunftstechnologien zur weltweiten Energiebedarfsdeckung: Thermal Energy Storage (IEA/ OECD-Energy Roadmap 2010) Speicherung von Wärme: Saisonale Wärmespeicher als Pilotvorhaben seit ca.1980 in S, DK, D, USA, Ca, J, Gr, I, etc. Mehrere nationale Studien forcieren große Wärmespeicher Technologieführer ist Deutschland dank langjährigem F+E-Programm! Ziel: Marktbereitschaft der ersten Technologien ca Kühlung durch den Untergrund: s.o. Technologieführer ist NL, J, etc.: vorwiegend Aquifer-Nutzung

7 Baukonzepte für große thermische Energiespeicher Einführung Technologien saisonaler Wärme- und Kältespeicher Pilotvorhaben und Entwicklungsstand

8 Solare Deckungsanteile von Solarthermie im Wohnungsbau Wärmebedarf solarer Deckungsanteil: ca. 7% ca % ca. 50% Wä ärmemenge Solare Einstrahlung (relativ) Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez im Sommer 100 % solar Kombianlage mit sais. Wärmespeicher

9 Solare Nahwärme mit saisonalem Wärmespeicher 100 % 50 % CO 2 -Emission

10 Saisonale Wärmespeicher sind groß! lständigen Auskühlung Speichers Zeitdauer bis zur vol eines 95 C heißen 1,5 Monate 350 l 1 3 Monate Jahr m³ m³

11 Grundtypologie von großen Wärmespeichern Freistehend Stand der Technik Teuer!: nur als Pufferspeicher realisiert Eingegraben Stand der Wissenschaft

12 Typologie der saisonalen Wärmespeicher Heißwasser-Wärmespeicher (60 bis 80 kwh/m³) Erdbecken-Wärmespeicher (60 bis 80 kwh/m³) Erdsonden-Wärmespeicher (15 bis 30 kwh/m³) Aquifer-Wärmespeicher (30 bis 40 kwh/m³)

13 Deutscher Expertenkreis Langzeit-Wärmespeicher Wirtschaftlich-technische Programmbegleitung Forschungspartner IGS, Uni Braunschweig ITW, Uni Stuttgart ZAE Bayern, Garching E.On Hanse Wärme GmbH HGC GmbH, Hamburg Ing.-büro Lichtenfels, Keltern Pki GmbH & Co. KG, Stuttgart Rehau AG + Co Züblin Spezialtiefbau GmbH AK Langzeit-Wärmespeicher ILEK, Uni Stuttgart Thermo- und Fluiddynamik, TU Ilmenau TT, TU Chemnitz ISFH, Hameln EGS-Plan, Stuttgart GTN GmbH, Neubrandenburg Fsave, Kassel

14 Baukonzepte für große thermische Energiespeicher Einführung Technologien saisonaler Wärme- und Kältespeicher Pilotvorhaben und Entwicklungsstand

15 München Ackermannbogen 2007 Betriebsbeginn: m² Wohnfläche (2.300 MWh/a) m² Solarkollektoren m³ Heißwasser-Wärmespeicher Solarer Deckungsanteil: 47 %* *Simulationsergebnisse ZAE Bayern

16 Speicherbau in München Ackermannbogen 2007

17 Eggenstein-Leopoldshafen Energetisches Sanierungskonzept durch PKi, Stuttgart Gemeinde-Schul- und Sportzentrum

18 Pilot-Erdbecken-Wärmespeicher in Eggenstein, 2007

19 Aquifernutzung am Reichstag in Berlin Aufbau eines Brunnens Brunnenkopf DN 600 Link-Seal-Dichtung Bodenplatte Brunnenabschlußbauwerk Tonmehl-Zement- Suspension Aufsatzrohre DN 400 Injektionsstrang DN 100 Pumpenstrang DN 100 Wickeldrahtfilter DN 400 Filterkies Sumpfrohr DN 400 UWM-Pumpe Quelle: GTN, Neubrandenburg

20 Crailsheim Hirtenwiesen 2, f Wohngebiet Hirtenwiesen I Wohngebiet Hirtenwiesen II 2. BA Solarnetz Wärmenetz Heizzentrale an Nahwärme LM-Gymnasium Wohngebiet Hirtenwiesen II 1. BA Hirtenwiesenhalle 100 m³ WP Heizzentrale mit Wärmepumpe 480 m³ Erdsonden- Wärmespeicher Kollektoren auf dem Lärmschutzwall Versorgungsgebiet: 260 Wohnungen, Schule, Sporthalle etc. Wärmebedarf: MWh/Jahr Kollektorfläche: m² (Apertur) Erdsonden-Wärmespeicher: m³ Pufferspeicher: m³ (Wasser) Solarer Deckungsanteil: 50 % (simuliert)

21 Crailsheim Hirtenwiesen 2, f (Source: Stadtwerke Crailsheim)

22 Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim, 2008

23 Crailsheim: neue Bauweise für Pufferspeicher (100 m³) aus Betonfertigteilen Betrieb auf 3 bar Druck und 108 C Maximaltemperatur

24 Systemkonzept Crailsheim-Hirtenwiesen 2 PS 1 Nachheizung Heizwerk 100 m³ PS 2 Nahwärmenetz Hirtenwiesen II Wärmepumpe, 530 KW 480 m³ Speicher-System Erdsonden- Wärmespeicher m³

25 Pilotprojekt Braedstrup Fjernwarme

26 Pilotprojekt Braedstrup Fjernwarme

27 Investitionskosten von saisonalen Wärmespeichern Investitionskosten je m³ Wasseräquivalent [ /m³] Ilmenau Rottweil (HW-GfK) Crailsheim(HW) Steinfurt Chemnitz Neckarsulm (1. Ausbau) Rostock gebaut Studie Heißwasser (HW) Kies-Wasser (KW) Erdwärmesonden Aquifer Geldwertkorrektur Friedrichshafen (HW) Crailsheim Hannover Kettmannhausen (HW-HLB) (HW-GfK) Hamburg Bielefeld Eggenstein München Berlin- Biesdorf ,000 10, ,000 Speichervolumen in m³ Wasseräquivalent [m³]

28 Weitere Marktentwicklung großer Wärme- und Kältespeicher Steigendes Interesse an Kühlung (und Heizung) durch Nutzung des Untergrundes: Großer Markt in den Niederlanden! Erste Industrieunternehmen zeigen Interesse Steigende Nachfrage nach großen Wärmespeichern zur KWK-Optimierung (KWK: Kraft-Wärme-Kopplung): aus der Fernwärmebranche und erste Nachfragen aus der Industrie Neue Speicherprojekte außerhalb Deutschlands: Spanien, Norwegen, Ungarn, ggf. Österreich, ggf. Schweiz, Kanada, ggf. Südkorea Dänemark!

29 Wissensplattform