Solare Nahwärme und saisonale Wärmespeicherung

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1 Solare Nahwärme und saisonale Wärmespeicherung D. Bauer Universität Stuttgart, Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen (TZS) Pfaffenwaldring 6, Stuttgart Tel.: 0711/ , Fax: 00711/ , 1. Einleitung Zu einem ressourcenschonenden Umgang mit Energie gehört die rationelle Energienutzung. Ein wesentlicher Bestandteil dabei ist die Energiespeicherung. Im Jahr 2007 wurden etwa 89 % der Endenergie in deutschen Haushalten für Raumheizung und Trinkwarmwasser eingesetzt [1]. Insbesondere der Bereich Raumheizung birgt viel Potential um Primärenergie einzusparen und somit CO 2 -Emissionen zu reduzieren. Die Nutzung der Solarenergie zur Bereitung von Trinkwarmwasser und zur Raumheizung ist bereits eine Technologie, die auf dem Markt etabliert ist. Allerdings gibt es in Klimaregionen wie Deutschland ein Ungleichgewicht zwischen hohem Strahlungsangebot im Sommer und großem Wärmebedarf für Raumheizung im Winter. Darum wurden solare Nahwärmeversorgungsanlagen (SuN) mit Langzeit- Wärmespeichern (saisonalen Wärmespeichern) entwickelt und umgesetzt, die es ermöglichen, den sommerlichen Wärmeüberschuss im Winter nutzbar zu machen, siehe Abb. 1. Abb. 1: Schematische Darstellung des Ausgleichs von Wärmeangebot und -bedarf durch saisonale Wärmespeicherung Für das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) ist die solare Nahwärme mit saisonaler Wärmespeicherung eine Schlüsseltechnologie zur Reduktion von CO 2 -Emissionen. Im Rahmen der Förderprogramme Solarthermie2000 und Solarthermie2000plus wurden seit 1996 elf Pilotanlagen in Deutschland realisiert und vier verschiedene

2 Seite 2 Technologien zur saisonalen Wärmespeicherung entwickelt und erprobt. Alle Pilotanlagen wurden während des Baus und Betriebs wissenschaftlich und messtechnisch begleitet. Derzeit werden fünf Pilotanlagen vom ITW der Universität Stuttgart betreut, darunter zwei Anlagen der neuesten Generation in Crailsheim und Eggenstein. Jede der vier verschiedenen Bauarten von saisonalen Wärmespeichern wurde mindestens in einer Pilotanlage umgesetzt. Die Pilotanlagen zeigen, dass SuN mit saisonaler Wärmespeicherung technisch realisierbar sind und dass die angestrebten Ziele, z. B. zumeist ein solarer Deckungsanteil von mindestens 50 %, erreicht werden können [2, 3]. 2. Systemtechnik Die Einbindung solarthermischer Wärme in ein Nahwärmesystem ermöglicht den Bau großer, zusammenhängender Kollektorflächen, die im Vergleich zu Kleinanlagen wesentlich kostengünstiger sind. Abb. 2 zeigt ein typisches Anlagenschema einer SuN mit saisonalem Wärmespeicher. Abb. 2: Anlagenschema einer SuN mit saisonalem Wärmespeicher Die von den Solarkollektoren gewonnene Wärme wird über das Solarnetz zu einer Heizzentrale transportiert und bei Bedarf über ein Nahwärmenetz an die Gebäude verteilt (Abb. 2). Die Kollektoren sind zum Beispiel auf ausgewählten Dächern der Wohngebäude montiert, der saisonale Wärmespeicher ist zumeist in den Untergrund eingebaut. Das über das Nahwärmenetz gelieferte Heizwasser versorgt die Heizung und Trinkwassererwärmung der Gebäude. Das Wärmeerzeugungssystem in der Heizzentrale verwendet die im Langzeit-Wärmespeicher gespeicherte Solarwärme und heizt bei Bedarf konventionell mit einem Gasbrennwertkessel nach. In den letzten Jahren hat sich die zusätzliche Integration einer Wärmepumpe in das Gesamtsystem bewährt, indem dadurch höhere Nutzungsgrade bei der Wärmege-

3 Seite 3 winnung und der Wärmespeicherung erzielt werden. Durch die Integration einer Wärmepumpe in eine SuN mit saisonaler Wärmespeicherung kann die energetische Effizienz des Gesamtsystems gesteigert werden. Es ergeben sich mehrere synergetische Effekte: Im Vergleich zu herkömmlichen erdgekoppelten Wärmepumpen steht der Wärmepumpe in einer solaren Nahwärmeversorgungsanlage ein höheres Temperaturniveau als Wärmequelle zur Verfügung. Die Wärmepumpe erreicht dadurch hohe Jahresarbeitszahlen zwischen 4 und 6. Gleichzeitig kann der saisonale Wärmespeicher durch den Betrieb mit Wärmepumpe auf ein niedrigeres Temperaturniveau abgekühlt werden. Dadurch wird die Speicherkapazität des saisonalen Wärmespeichers erhöht und dieser kann kleiner und kostengünstiger gebaut werden. Durch die Integration einer Wärmepumpe wird das mittlere Temperaturniveau des saisonalen Wärmespeichers verringert. Damit verringern sich die Wärmeverluste und durch die niedrigeren Systemtemperaturen steigt der Wirkungsgrad der Kollektoren. Abb. 3 veranschaulicht anhand eines vereinfachten Hydraulikschemas eine Möglichkeit der Einbindung einer Wärmepumpe, wie sie in der SuN in Crailsheim realisiert ist. Kollektoren Wall West Wall Ost Kond. Verd Kond. Verd 300 m Trasse Abb. 3: Vereinfachtes Hydraulikschema der SuN in Crailsheim mit Einbindung von Wärmepumpen (WP) Die SuN in Crailsheim besteht aus zwei Teilen: Der erste Anlagenteil besteht aus Kollektorfeldern auf fünf ehemaligen Kasernengebäuden (in Summe 1737 m²), weiteren Kollektorfeldern auf einem Gymnasium und einer Sporthalle (535 m² bzw. 220 m²), einem 100 m³ großen Pufferspeicher 1 und einer Heizzentrale in der Sporthalle, über welche die Solaranlage an das Nahwärmenetz angeschlossen ist.

4 Seite 4 Der zweite Anlagenteil ist ein überwiegend saisonal betriebener Anlagenteil mit zunächst etwa 5000 m² Kollektorfläche auf zwei Lärmschutzwällen (Wall West und Wall Ost), einem saisonalen Wärmespeicher in Form eines Erdsonden-Wärmespeichers, einem Pufferspeicher 2 mit 480 m³ Inhalt und einer separaten Heizzentrale mit Wärmepumpen. Die beiden Anlagenteile sind durch eine ca. 300 m lange Leitung miteinander verbunden, s. Abb. 3. Die Kollektorflächen auf den Lärmschutzwällen dienen primär der Beladung des Erdsonden-Wärmespeichers. Die maximale thermische Beladeleistung des Erdsonden- Wärmespeichers liegt deutlich unter der maximalen Wärmeleistung der Kollektoren, so dass diese nicht zeitgleich eingebracht werden kann. Durch den Pufferspeicher 2 kann die hohe Kollektorleistung am Tag aufgenommen und über 24 Stunden verteilt an den Erdsonden-Wärmespeicher abgegeben werden. Die Entladung des Erdsonden-Wärmespeichers durch zwei Wärmepumpenmodule erhöht die thermische Effizienz des saisonalen Anlagenteils und damit auch die Wirtschaftlichkeit. Simulationsrechnungen [4] ergaben eine optimale Einbindung der Wärmepumpen zwischen den beiden Pufferspeichern. Dies hat den Vorteil, dass die Wärmepumpen sowohl verdampfer- als auch kondensatorseitig auf große hydraulische Volumina arbeiten und dadurch lange Laufzeiten in effizienten Betriebspunkten ermöglicht werden. Weiterhin profitiert der gesamte zweite Anlagenteil von den dadurch entstehenden niedrigen Systemtemperaturen, welche hohe Nutzungsgrade der Wallkollektorfelder und des Erdsonden-Wärmespeichers ermöglichen. Die von älteren Pilotanlagen bekannten negativen Auswirkungen auf die Anlageneffizienz durch zu hohe Rücklauftemperaturen des Nahwärmenetzes werden durch die gewählte Einbindung der Wärmepumpe für den zweiten Anlagenteil fast vollständig vermieden. Die druckfesten Pufferspeicher ermöglichen einen einheitlichen Druck im Gesamtsystem und den Verzicht auf zusätzliche Wärmeübertrager. Der Anlagenteil um den Pufferspeicher 1 liefert die Wärme im Wesentlichen direkt an das angeschlossene Nahwärmenetz. Bei Bedarf wird über eine Fernwärmeleitung vom nahe gelegenen Heizwerk der Stadtwerke Crailsheim nachgeheizt. Beide Anlagenteile sind so dimensioniert, dass möglichst wenig Wärme zwischen ihnen transferiert werden muss, um Wärmeverluste beim Durchströmen der Verbindungsleitungen zu minimieren. Das bedeutet, dass im Sommer die Erträge der Kollektoren des ersten Anlagenteils gerade ausreichen, den Wärmebedarf des Nahwärmenetzes zu decken. In dieser Zeit wird der Erdsonden-Wärmespeicher fast ausschließlich durch die Kollektoren am Lärmschutzwall beladen. 3. Solarkollektoren Aus Kostengründen kommen in SuN überwiegend einfachverglaste Flachkollektoren zum Einsatz. In Skandinavien werden die Kollektorflächen für solare Nahwärmeanlagen meist sehr einfach und dadurch kostengünstig auf einem Grundstück neben der Heizzentrale direkt auf dem Erdboden aufgeständert. Aufgrund der hohen Kosten für Bauland kann dies in Deutschland in der Regel nicht realisiert werden, so dass die Kollektorflächen auf die Dächer von großen Gebäuden (Abb. 4) bzw. Carports oder Lärmschutzwälle (Abb. 5) montiert werden. Vorzugsweiße werden dabei große, industriell gefertigte Kollektormodule mit einer Fläche von 8 bis 12 m 2 verwendet.

5 Seite 5 Abb. 4: Solarkollektoren auf einem Schulgebäude (Crailsheim, 535 m 2 ) Bild: Stadtwerke Crailsheim Abb. 5: Solarkollektoren auf einem Lärmschutzwall (Crailsheim, 3213 m 2 ) 4. Saisonale Wärmespeicher Seit 1996 wurden in Deutschland vier unterschiedliche Bauarten saisonaler Wärmespeicher entwickelt: Heißwasser-, Kies/Wasser-, Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher, siehe Abb. 6. Die Auswahl für eine spezielle Bauart hängt u. a. von der Geologie und Hydrogeologie des Untergrunds sowie von baurechtlichen Bestimmungen ab. Insbesondere für Aquifer- und Erdsonden-Wärmespeicher müssen detaillierte Untersuchungen des Untergrunds durchgeführt werden. Sind unterschiedliche Bauarten realisierbar, erfolgt die Auswahl unter Berücksichtigung energetischer und wirtschaftlicher Randbedingungen. Alle saisonalen Wärmespeicher werden zum Teil oder vollständig im Untergrund gebaut. Aufgrund der häufigen Nähe zu Wohnsiedlungen sind oft optische Gründe ausschlaggebend, aber es gibt hierfür auch technische Gründe. So vereinfacht diese Bauweise die statischen Anforderungen an die Bauwerke, da das umliegende Erdreich Kräfte aufnehmen kann. Bei Aquifer- und Erdsonden-Wärmespeichern erfolgt die Wärmespeicherung direkt im Untergrund; die Wärme wird über Brunnen bzw. Erdwärmesonden in den Untergrund eingebracht bzw. aus dem Untergrund entnommen. Um die Wärme über einen längeren Zeitraum effizient speichern zu können, müssen die Wärmeverluste möglichst gering sein. Dies wird zum einen durch eine gute Wärmedämmung und zum anderen durch ein möglichst geringes Oberflächen- zu Volu-

6 Seite 6 men-verhältnis (A/V-Verhältnis) erreicht. Das bedeutet auch, dass die saisonalen Wärmespeicher möglichst großvolumig gebaut werden müssen und es deshalb Stand der Technik ist, diese in Nahwärmenetze einzubinden. [5] gibt eine Übersicht über den Stand der Technik und die Anwendung von großen, saisonalen Wärmespeichern. Eine Bewertungsgröße für die Wärmeverluste ist der Speichernutzungsgrad. Er stellt den Quotienten aus eingespeicherter zu ausgespeicherter Wärmemenge über einen Zyklus dar. Je höher dieser Wert ist, desto besser funktioniert die Wärmedämmung und desto effizienter ist der Wärmespeicher. Optimal in ein Nahwärmeversorgungssystem integrierte saisonale Wärmespeicher können Speichernutzungsgrade von über 90% erreichen [3]. Abb. 6: Unterschiedliche Bauarten saisonaler Wärmespeicher 4.1 Heißwasser-Wärmespeicher Heißwasser-Wärmespeicher werden als Behälterspeicher ausgeführt, wobei der Behälter entweder aus Ortbeton oder Betonfertigteilen gefertigt wird. Im Inneren wird eine wasserdampfdichte Schicht angebracht, die meistens aus verschweißten Edelstahlbahnen besteht. Als Speichermedium dient Wasser. Um die Wärmeverluste zu minimieren, werden sowohl die Seitenwände als auch der Boden- und der Deckelbereich des Wärmespeichers gedämmt, wobei das Dämmmaterial entsprechend der statischen und thermischen Belastung auszuwählen ist. Behälterspeicher zeichnen sich durch eine hohe volumenspezifische Wärmekapazität und eine gute thermische Schichtung aus. Die Be- und Entladeleistungen sind sehr hoch, weshalb bei dieser Bauart meist auf Pufferspeicher verzichtet werden kann. Da das Speichermedium Wasser ist, können Wartungsarbeiten in beschränktem Umfang durchgeführt werden. Die Nachteile dieser Bauart sind die hohen Baukosten und die limitierte Größe aufgrund der statischen Anforderungen. Heißwasser-Wärmespeicher mit Größen zwischen 2750 m 3 und m 3 wurden in Hamburg, Friedrichshafen, Hannover und

7 Clean Energy & Passivehouse 2012 Seite 7 München realisiert. Abb. 7 zeigt den 5700 m3 großen Speicher in München während des Baus. Abb. 7: m3 Heißwasser-Wärmespeicher in München während des Baus Kies/Wasser-Wärmespeicher Bei Kies/Wasser-Wärmespeichern dient ein Gemisch aus Kies bzw. Sand und Wasser als Speichermedium, das in ein Erdbecken bzw. eine Grube eingebracht wird. Die Form der Grube wird durch den natürlichen oder einen künstlich erzeugten Böschungswinkel bestimmt. Die Grube wird durch Kunststoffbahnen wasser- und wasserdampfdicht ausgekleidet und mit Kies, Sand oder Erde bzw. einer Kombination aus diesen Materialien sowie Wasser gefüllt. Die Wärmedämmung wird bei der neuesten Generation dieser Wärmespeicher auf der kompletten Oberfläche (auch dem Boden) angebracht. Die Be- und Entladung des Wärmespeichers erfolgt direkt, z. B. mit Brunnenpaaren oder indirekt, z. B. mit Rohrschlangen im Speicherinneren, die als Wärmeübertrager dienen. Der Speicher zeichnet sich durch mittlere Baukosten aus. Sein Aufbau ist durch die Kiesfüllung selbsttragend und somit ist seine Baugröße nahezu unbegrenzt. Allerdings ergeben sich durch die Kiesfüllung auch Nachteile. Seine volumenspezifische Wärmekapazität ist kleiner als bei reinem Wasser, weshalb er bei gleicher Wärmekapazität größer gebaut werden muss als ein HeißwasserWärmespeicher. Bei einer Leckage der Dichtungsbahnen kann der Wärmespeicher nicht bzw. nur unter großem Aufwand repariert werden. Da der Böschungswinkel und die Eingrabtiefe durch die Standfestigkeit des Bodens eingeschränkt werden, weisen diese Wärmespeicher meist eine flachere Bauform und eine größere Oberfläche als Heißwasser-Wärmespeicher auf. Die Be- und Entladeleistungen des Wärmespeichers sind vergleichsweise gering, sodass Pufferspeicher in das System integriert werden müssen. Kies/Wasser-Wärmespeicher mit Größen zwischen 1500 m3 und 8000 m3 wurden in Steinfurt, Chemnitz und Eggenstein gebaut. Abb. 8 zeigt den 4500 m3 großen Kies/Wasser-Wärmespeicher in Eggenstein während des Baus. 4.3 Erdsonden-Wärmespeicher Bei Erdsonden-Wärmespeichern erfolgt die Wärmespeicherung im Untergrund, wobei die Wärme mit Erdwärmesonden in den bzw. aus dem Untergrund ein- bzw. ausgespeichert wird. Der Speicherbereich wird von einer großen Anzahl

8 Seite 8 Erdwärmesonden erschlossen, die seriell und parallel verschaltet werden. Die Anordnung und Durchströmung der Erdwärmesonden erfolgt zur Minimierung der Wärmeverluste so, dass sich der warme Bereich im Speicherzentrum befindet. Die Erdwärmesonden bestehen aus Kunststoffen (z. B. Polybuten oder Polyethylen). Sie werden in ein Bohrloch eingebracht und durch ein Füllmaterial in thermischen Kontakt mit dem Untergrund gebracht. Konstruktionsbedingt kann bei diesem Speichertyp nur die Oberseite des Wärmespeichers gedämmt werden. Die Baukosten für Erdsonden-Wärmespeicher sind verhältnismäßig niedrig und er kann als einziger saisonaler Wärmespeicher erweitert und somit an ein wachsendes System angepasst werden. Seine volumenspezifische Wärmekapazität ist jedoch niedrig und er kann aufgrund geologischer und hydrogeologischer Einschränkungen nicht überall gebaut werden. Da die Be- und Entladeleistungen niedrig sind, müssen Pufferspeicher in das System integriert werden. Erdsonden-Wärmespeicher zwischen 9350 m 3 und m 3 wurden in Neckarsulm, Attenkirchen und Crailsheim gebaut. Abb. 9 zeigt den m 3 großen Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim während des Baus. Abb. 8: 5700 m 3 Kies/Wasser-Wärmespeicher in Eggenstein während des Baus Abb. 9: m 3 Erdsonden-Wärmespeicher in Crailsheim während des Baus 4.4 Aquifer-Wärmespeicher Beim Aquifer-Wärmespeicher werden Grundwasser führende Schichten (Aquifere) genutzt, um Wärme im Untergrund zu speichern. Der Aquifer wird mit mindestens einem Brunnenpaar erschlossen. Nur abgeschlossene Aquifere mit großer Mächtigkeit können für Aquifer-Wärmespeicher verwendet werden. Bei der Beladung des Wärmespeichers wird über einen Brunnen Wasser aus dem Aquifer entnommen, erwärmt und über den anderen Brunnen wieder in den Aquifer eingeleitet. Bei der Ent-

9 Seite 9 ladung wird die Durchströmungsrichtung umgekehrt. Der Aquifer-Wärmespeicher kann nicht wärmegedämmt werden. Seine Baukosten sind geringer als bei den anderen drei Bauarten und seine volumenspezifische Wärmekapazität befindet sich im mittleren Bereich. Er ist allerdings nur an wenigen geeigneten Standorten einsetzbar. Seine Be- und Entladeleistungen sind relativ gering, weshalb Pufferspeicher in das System integriert werden müssen. Die maximalen Beladetemperaturen des Aquifer- Wärmespeichers sind begrenzt, um die Grundwasserqualität und den Grundwasserchemismus nicht negativ zu beeinflussen. Aufgrund der relativ niedrigen Maximaltemperaturen eignet sich dieser Speichertyp nur in Kombination mit einer Wärmepumpe. Ein Aquifer-Wärmespeicher mit m 3 kommt bei der SuN in Rostock zum Einsatz. 5. Zusammenfassung Im Rahmen von nationalen Förderprogrammen wurden seit 1996 elf Pilotanlagen für solare Nahwärmeversorgungssysteme in Deutschland realisiert. Jede der vier verschiedenen Bauarten von Langzeit-Wärmespeichern (Heißwasser-, Kies/Wasser-, Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher) wurde mindestens in einer Pilotanlage umgesetzt. Die Pilotspeicher zeigen auf, dass die Speicherung der Wärme mit allen Bauarten über einen langen Zeitraum vom Sommer bis in den Winter technisch machbar und umsetzbar ist. Eine Zusammenfassung von Monitoringdaten ausgewählter SuN in Deutschland gibt [6] und [7]. Die Speichertechnologie wurde in den vergangenen Jahren kontinuierlich weiterentwickelt und die Innovationen in den neuen Anlagen umgesetzt. Keine der vier Bauarten kann als die allgemein beste betrachtet werden. Je nach geologischen Gegebenheiten, baurechtlichen Bestimmungen und anderen Randbedingungen wie z.b. uneingeschränkte Befahrbarkeit muss die beste Bauart für diese Anforderungen und das System ausgewählt werden. Über die Integrationsmöglichkeit in SUN-Anlagen hinaus, können die saisonalen Wärmespeicher in Systeme integriert werden, bei denen einem Wärmeangebot ein saisonal versetzter Wärmebedarf gegenüber steht. Dies können beispielsweise Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sein. In Deutschland wird in den nächsten Jahren ein zunehmender Bedarf an großen Wärmespeichern zu verzeichnen sein, die multifunktional komplexe Strom- und Wärmeerzeugungssysteme ergänzen.

10 Seite Literatur: [1] Umweltbundesamt, [2] Bauer, D.; Heidemann, W.; Marx, R.; Nußbicker-Lux, J.; Ochs, F.; Panthalooka-ran, V.; Raab, S.: Solar unterstützte Nahwärme und Langzeit- Wärmespeicher. Forschungsbericht zum BMU-Vorhaben J (Juni 2005 bis Juli 2008), Stuttgart, [3] R. Marx, J. Nußbicker-Lux, D. Bauer, W. Heidemann: Integration von Wärmepumpen in solar unterstützte Nahwärmeversorgungssysteme mit saisonaler Wärmespeicherung, 21. OTTI-Symposium thermische Solarenergie, Kloster Banz, Bad Staffelstein, [4] M. Benner, M. Bodmann, D. Mangold, J. Nußbicker, S. Raab, T. Schmidt, H. Seiwald: Solar unterstützte Nahwärmeversorgung mit und ohne Langzeit- Wärmespeicher (Nov. 98 bis Jan. 03), Forschungsbericht zum BMWi- Vorhaben S, ISBN , Stuttgart, [5] [6] Bauer, D.; Marx, R.; Nußbicker-Lux, J.; Ochs, F.; Heidemann, W.; Müller- Steinhagen, H.: German Central Solar Heating Plants with Seasonal Heat Storage. Solar Energy 84 (2010), [7] Bauer, D.; Marx, R.; Nußbicker-Lux, J.; Ochs, F.; Heidemann, W.; Müller- Steinhagen, H.: Performance-Vergleich solar unterstützter Nahwärmeversorgungssysteme mit saisonaler Wärmespeicherung. 20. OTTI-Symposium thermische Solarenergie, Kloster Banz, Bad Staffelstein, Danksagung Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde zum Teil mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) (FKZ: J, P) gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Dr.-Ing. Dan Bauer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen (TZS) des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart.