Thermische Energiespeicher als Schlüsseltechnologie für die Energiewende, Harald Drück (ITW) Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT) Universität Stuttgart Pfaffenwaldring 6, 70550 Stuttgart E-Mail: bestenlehner@itw.uni-stuttgart.de Internet: www.itw.uni-stuttgart.de 1 1 file: TES-Key_COMTES1.pptx
Das größte Prüfzentrum und das größte universitäre Forschungszentrum TZS für thermische Solartechnik in Europa 2 2
Inhalt Motivation Wärmespeicherung Verfügbare Speichertechnologien Anwendung von thermischen Energiespeichern Zukünftige Entwicklungspotenziale 3 3
Das Ziel ist klar! Eine zukünftig weitgehend auf erneuerbaren Energien basierende Energieversorgung Das Problem ist nicht die Energieerzeugung Das Problem ist die Energiespeicherung 6 6
Einsatz von Speichern Wärmespeicher werden eingesetzt um Unterschiede zwischen Angebot und Bedarf auszugleichen Leistungsspitzen abzudecken Systeme hydraulisch zu entkoppeln In Abhängigkeit von der Zeitdauer ( t) der Speicherung wird unterschieden zwischen Kurzzeitspeicher ( t einige Stunden bis Tage) Langzeitspeicherung ( t einige Tage bis Wochen) saisonale Speicherung ( t mehrere Monate) 8 8
Arten und Einteilung von thermischen Energiespeichern Quelle: 2012\StoTechno_Diag1.docx 15 15
Arten und Einteilung von thermischen Energiespeichern Quelle: 2012\StoTechno_Diag1.docx 16 16
Stand der Technik Wärmespeicherung im Temperaturbereich von ca. 0 C bis 100 C Speichermedium Wasser 17 17
Vorteile von Wasser als Speichermedium Wasser ist überall verfügbar billig bei Anschaffung und Entsorgung ökologisch unbedenklich Speichermedium und Wärmeträger Wärmeträgermedium in der Heizungsanlage Wasser hat eine große Wärmekapazität geringe Wärmeleitfähigkeit mit der Temperatur abnehmende Dichte Quelle: Folien97\Folie25.CDR 19 19
Typische Speicher für Einfamilienhäuser Speichervolumen von etwa 300 Litern bis ca. 1000-1500 Liter 21 21
Das Solarhaus 50+ bzw. SolarAktivHaus von der Vision zur Wirklichkeit die Zukunft des Heizens 22 22
Solarhaus 50+ bzw. Solar-Aktiv-Haus hohe solare Deckungsanteile >> 50 % große Kollektorflächen 30 m² bis 60 m² große Warmwasserspeicher 6.000 bis 15.000 Liter Bild-Quelle: Sonnenhausinstitut Voraussetzung: sehr gute Wärmedämmung Niedertemperaturheizsystem Nach Süden geöffnete Fassade für hohe passive solare Gewinne (Wintergärten) Süddach als Kollektorfläche 23 23
Solarhaus 50+ bzw. Solar-Aktiv-Haus: Das Konzept hoher architektonischer Standard hoher Wohnwert wohlige Wärme durch Niedertemperatur-Flächenheizung hoher Komfort durch aktive Solarheizung intelligente passive Solarenergienutzung Quelle: Sonnenhausinstitut e.v. 24 24
Beispiel Solarhaus 50+ bzw. Solar-Aktiv-Haus Ouelle: Darsch, Sonnenhausinstitut Leben mit der Energie der Sonne 25 25
Ouelle: Darsch, Sonnenhausinstitut www.itw.uni-stuttgart.de Beispiel Solar-Aktiv-Haus bzw. Solarhaus 50+ 26 26
SolarAktivHäuser HeizSolar EFH in Rottenburg A N : 232 m² f sol : 51 % EFH in Kappelrodeck A N : 300 m² f sol : 100 % MFH in München A N : 549 m² f sol : 79 % MFH in Gomaringen A N : 1.062 m² f sol : 65 % EFH Donaueschingen A N : 202 m² f sol : 59 % EFH MFH A N f sol Einfamilienhaus Mehrfamilienhaus Gebäudenutzfläche Solarer Deckungsanteil 27 27
Ouelle: Darsch, Sonnenhausinstitut www.itw.uni-stuttgart.de Beispiel Solar-Aktiv-Haus bzw. Solarhaus 50+ 28 28
Beispiel Solar-Aktiv-Haus bzw. Solarhaus 50+ 29 29
Realisierung größerer Volumina: Speicherkaskaden Vorteile: Standardisierte Speicher verwendbar gute Temperaturschichtung realisierbar große Flexibilität Nachteile: relativ großer Platzbedarf relativ hohe Wärmeverluste Aufwändige Installation relativ teuer 31 31
Großer zentraler Speicher - als Fertigprodukt große Stahlbehälter Neubau: Integration während der Bauphase Bestand: Schweissung vor Ort 17,5 m 3 Speicher; Quelle: http://www.jenni.ch/ 32 32
Beispiel: Großer Speicher - vor Ort realisiert FLEXSAVE-Speicher von fsave Solartechnik Stahlrahmen mit Sandwichelementen Aufbau vor Ort gute Raumausnutzung da kubisch individuelle Anpassung an örtliche Gegebenheiten möglich Drucklose Betriebsweise 33 33 33
Beispiel: Große Speicher Solar unterstütze Nahwärme für Wohngebiete 35 35
Beispiel: Solar unterstützte Nahwärme 36 36
Hamburg 14,800 m² heated area, 3,000 m² flat plate collector, 4,500 m³ hot-water heat storage Friedrichshafen 39,500 m² heated area, 2,700 m² flat plate collector, 12,000 m³ hot-water heat storage 2002: 5,600 m² Neckarsulm 20,000 m² heated area, 2,650 m² flat plate collector, 20,000 m³ duct heat storage 2001: 5000 m², 63,000 m³ Steinfurt 3,800 m² heated area, 510 m² flat plate collector, 1,500 m³ gravel-water heat storage Rostock 7,000 m² heated area, 1,000 m² flat plate collector 20,000 m³ aquifer heat store Hannover 7,265 m² heated area, 1,350 m² flat plate collector, 2,750 m³ hot-water heat storage Chemnitz, 1. Ausbaustufe 4,680 m² heated area, 540 m² vacuum tubes, 8,000 m³ gravel-water heat storage Solar unterstützte Nahwärme mit saisonaler Wärmespeicherung 37 37
Heißwasser-Wärmespeicher (Friedrichshafen, 12 000 m³) Friedrichshafen 39,500 m² heated area, 2,700 m² flat plate collector, 12,000 m³ hot-water heat storage 2002: 5,600 m² 38 38
Beispiel: Speicherkapazität und Wärmebedarf 1 m³ Wasser ( T von 35 bis 85 C) Einfamilienhaus (nach EnEV 2009) 60 kwh Wärme jährl. Heizwärmebedarf ca. 9.000 kwh die in einem Kubikmeter Wasser gespeicherte Wärme ermöglicht die Beheizung für einen Wintertag (bei ca. 200 Heiztagen und saisonalen Maxima) 41 41
Wo geht bei Warmwasserspeichern die Entwicklung hin? Kostenreduktion Verbesserung der Temperaturschichtung Kunststoff als Behältermaterial Reduktion der Wärmeverluste Vergrößerung der Speicherdichte 42 42
Wärmeleitfähigkeit div. Dämmstoffe 43 43 43
Warmwasserspeicher mit Vakuumdämmung Vorteil Vakuum-Dämmung Reduzierung der Wärmeverlustrate um Faktor 5 bis 10 Aktuelle Entwicklungen Entwicklung des ZAE Bayern mit Fa. Hummelsberger AEE Intec Fa. Sirch mit ITW/TZS... Quelle: ZAE-Bayern 44 44
Einfluss der Wärmeverlustrate (UA) Vergleich normale PU-Weichschaum-Dämmung, Vakuum-Dämmung mittels berechnetre Abkühlkurven Für die Berechnung verwendete Werte: Speichervolumen V sto = 15.000 l PU-Weichschaum-Dämmung: (UA) = 12,0 W/K Vakuum-Dämmung: (UA) = 2,25 W/K 45 45
Das Ziel: Reduktion des Speichervolumens Aber: Bei gleicher oder größerer Speicherkapazität SolarAktivHaus mit Warmwasserspeicher Bildquelle: Sonnenhaus-Institut Bildquelle: Sonnenhaus-Institut von ITW modifiziert SolarAktivHaus mit thermischem Energiespeicher der nächsten Generation 47 47
Arten und Einteilung von thermischen Energiespeichern Quelle: 2012\StoTechno_Diag1.docx 48 48
Speicherkapazitäten im Vergleich Speicherdichte etwa um den Faktor 1 2 gegenüber Wasser ( T=50 K) höher 49 49
Arten und Einteilung von thermischen Energiespeichern Quelle: 2012\StoTechno_Diag1.docx 51 51
Thermochemische Wärmespeicherung Adsorption Anlagerung von Molekülen an die (innere) Oberfläche von Adsorbentien (Silikagel, Zeolith, Aktivkohle,...) Adsorption Wärmezufuhr Wärmefreisetzung Desorption Speicherdichte etwa um den Faktor 2 3 gegenüber Wasser ( T=50 K) höher 52 52
Arten und Einteilung von thermischen Energiespeichern Quelle: 2012\StoTechno_Diag1.docx 54 54
Thermochemische Wärmespeicherung Reversible Gas-Feststoff-Reaktionen zur chemischen Wärmespeicherung MgSO 4 + 7H 2 O Anhydrat MgSO 4 Hydrat Wärmefreisetzung 2 O + H R Wärmezufuhr Vorteile hohe Speicherdichte Stand 2011: 180 240 kwh/m³ Faktor 3 4 gegenüber Wasser ( T=50K) theoretisch bis 600 kwh/m³ Quasi verlustfreie Speicherung Nachteil höherer apparativer Aufwand 55 55
Zusammenfassung Speicherdichten und Forschungsbedarf Speichertechnologie fühlbare Wärme (fest oder flüssig) Energiedichte [kwh/m³] gering Entwicklungsstand hoch latente Wärme Thermochemisch Sorption / Reaktion hoch gering 58 58
Heizkonzepte der Zukunft?! 59 59
Heizkonzepte der Zukunft?! Danke für Ihre Aufmerksamkeit 60 60