Materialien, Technologien und Konzepte für sehr große Wärmespeicher in Österreich

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1 Materialien, Technologien und Konzepte für sehr große Wärmespeicher in Österreich Wim van Helden AEE - Institute for Sustainable Technologies (AEE INTEC) 8200 Gleisdorf, Feldgasse 19, AUSTRIA AEE INSTITUTE FOR AEE SUSTAINABLE INSTITUTE FOR TECHNOLOGIES SUSTAINABLE TECHNOLOGIES Funktion eines Wärmespeichers in einem (Fern)wärmenetz Unterstützen Pegellaste Einbinden von unterschiedliche Wärmequellen Ermöglichen saisonale Speicherung Maximieren von Einspeisung durch erneuerbare Wärmequellen Kopplung mit Elektrizitätsnetz (Power to Heat) Ermöglichen des Umstiegs auf 100 % erneuerbar 1

2 Stand der Technik bei Großwärmespeicher Volumen bis m 3 Meiste Erfahrungen in Dänemark Source Mangold, 2011 Marstal (DK) 2012: Eggenstein (D) 2007: m³ m³ Water Herausforderung Großvolumige Speichertechnologie aus Dänemark geeignet machen für Österreich Nützen der Erfahrungen aus DK und DE 2

3 Randbedingungen Kosteneffizient Integriert in einer städtischen Umgebung Große Speicherkapazität Energieeffizient Gut integriert im Fernwärmenetz Lange Lebensdauer Die Aufgabe Entwickeln von: - Materialien - Technologien - Konzepte giga_tes project Integration Optimisation Exploitation Operation Future step: Demo Technologies Components / Constructions Modelling Materials / Components TRL Development targets - Performance - Price - Environment - City Planning 3

4 Wie groß? Ein giga-skaliger thermischer Energiespeicher mit einem Volumen von 2,0 Million m³ hat Dimensionen, vergleichbar mit dem Ernst Happel Stadion. 42 m Projekt Konsortium Industriepartner PORR AGRU VAM SOLID Ste.p GVT METAWELL Geologie und Grundwasser Gabriel Chemie Lenzing Chemie Wien Energie Salzburg AG Forschungspartner AEE INTEC UIBK Johannes Kepler Universität Linz, IPMT Smart Minerals PlanEnergi (Dänemark) SOLITES (Germany) Gesamtkosten: 4.4 M Förderung: 3.3 M Dauer: 36 Monate 4

5 WP1: Project Management (AEE INTEC) Positionen in der Wertkette BUILDING CONTRACTOR AT MATERIALS MATERIALS Central, North EU COMPONENTS ENGINEERING MARKET VALUE CHAIN Arbeitsweise WP2: Boundary Conditions, for Technology Development and System Integration (SOLID) WP3: Giga-Scale Thermal Storage Technology Development (ste.p) WP4: Materials Development and Testing (JKU) WP5: Computer Assisted Storage Optimisation (UIBK) WP7: Exploitation and Dissemination (AEE INTEC) WP6: System Integration and Storage Management (AEE INTEC) 5

6 AP2: Bestimmung von Randbedingungen Site selection Design & Construction Commissioning & Operation Designated role of storage Need for storage DH system characteristics / Integration into DH grid Geological + Hydrogeological Site Environmental Conditions Regional & Spatial Planning Legal Requirements Construction technical aspects Properties of Material Commissioning Operation, Security and Maintenance Geohydrologie ist wichtige Randbedingung 6

7 Anwendung als Randbedingung Beispiel einer Anwendung: Speicherung von Solarwärme mit Absorptionswärmepumpe und Abgaswärmetauscher Flue gas Vorgeschlagene Speichergröße: 130,000 m 3 Vorgeschlagene Solarkollektorfläche: 45,000 m 2 AP 3: Technologieentwicklung für den giga-skaligen Speicher 1. Bodenengineering 2. Konstruktion der Wände und des Boden 3. Konstruktion des Deckels 7

8 AP4 Materialentwicklung Liner (1) AP4 Materialentwicklung Liner (2) Unterschiedliche Materialanforderungen Innen-Liner PP: weiterentwicklung und Charakterisierung von neuartige PP-Liner PE: liners (state of the art) Innen-Liner mit Dampfbarriere Mehrschicht Liner mit Dampfbarriere Abdeckung-Liner Effekt von Stabilisatoren auf Älterungsverhalten 8

9 Temperature [ C] AP4 Materialentwicklung Liner (3) Methode zur Lebensdauerbestimmung (beschleunigt) Herstellen von Muster PE-HD vs. PP-R 2mm thick extruded sheets Micro-sized specimen 100µm 500µm 2000µm Automated CNC planning Exposure conditions Medium: hot water & hot air Temperature: 135, 125, 115, 105, 95 C Removal: at least 4 slices per interval Evaluated aging indicator Embrittlement/failure time by tensile testing (Zwick Roell zwickiline) Specific values: Evaluation of stress/strain curves; strain-at-break Aging indicator: b < y ; total embrittlement Zwick Roell zwickiline AP4 Materialentwicklung Liner (4) Methode zur Lebensdauerbestimmung (beschleunigt) 100 Seasonal heat storage Muster bewahren auf Temperaturen bestimmt durch Anwendung Month Experimentelle Ergebnisse werden extrapoliert auf relevante Temperaturen (45-95 C) Ableiten der Lebensdauer mittels ein Modell (cumulative damage model) 9

10 AP4 Materialentwicklung Liner (5) Methode zur Lebensdauerbestimmung (beschleunigt) PE-HD: 15 Jahre PP-R: 34 Jahre (Faktor > 2 besser) AP5 - Numerische Simulation (1) Simulationen auf unterschiedliche Ebenen: Komponenten Speicher System Umgebung Wände Deckel Isolierung 1D 2D 3D Einbindung in Fernwärmesystem Einfluß auf Boden und Grundwasser 10

11 AP5 - Numerische Simulation (2) Berechnen Einfluss auf Grundwassertemperatur Grundwasserströmung mitgenommen Ist Erhöhung innerhalb gesetzliche Bestimmungen? Bestimmungen noch unklar AP5 Integration im Fernwärmenetz --Szenario Generator-- Energy Required by the Consumers Temperature required Supply Biomass Solar Waste Heat Other RE Heat Power-to-Heat Energy to the Storage Temperature of Charging Fluid 1 2 Gas Boiler Storage Volume Layer Interaction Parameter Insulation Thickness Insulation Thermal Conductivity Surface Area Minimum and Maximum Temperature 3 To Heating Plants Return Temperature Return 11

12 AP5 Integration im Fernwärmenetz --nur Saisonalspeicher-- Charge Discharge AP5 Integration im Fernwärmenetz --mehrfache Zyklen-- Charge Discharge 12

13 Markt Ausblick Zur Zeit gibt es Giga TES Pläne für: Aalborg, Belgrad, Graz, Salzburg Österreich: 24 % des Wärmebedarf durch Fernwärme (22,4 TWh/a) Die 10 größte Netze haben 12,5 TWh/a Kombination Großwärmespeicher + Wärmepumpe führt zu 60% CO 2 Verringerung Potential: >10 sehr große Speicher ( m 3 ) > 100 große Speicher ( m 3 ) Der Exportmarkt ist ein Vielfach von dies Ergebnisse und Ausblick Randbedingungen und Szenarien für Standorte in Wien, Salzburg bestimmt Neue Liner und Baumaterialien Numerische Simulationsprogramme in Entwicklung Optimierung der Speicher integriert in einem Fernwärmenetz Ausblick: Weitere Tests mit Materialien und Konstruktionen Numerische Simulationsprogramme für optimierte Speicher Optimierung des integrierten Speichers Durcharbeiten von 5 Szenarien in Wien, Salzburg Entwurfshandbuch 13

14 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 14