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01-02 | 2019

EnergieForum

EnergieForum Speicherkonzepte zur Integration erneuerbarer Wärmequellen Wärmespeicherkonzepte für Wärmenetze WÄRMESPEICHER | Zum Er - reichen der Klimaziele ist die Umstellung der Wärmeversorgung auf erneuerbare Wärmequellen von herausragender Bedeutung. Besonders für städtische Gebiete bietet sich hierfür eine netzgebundene Wärmebereitstellung über hocheffiziente Wärmenetze der 4. Generation an. Mit geeigneten Speicherkonzepten können auch fluktuierender Wärmequellen effizient in die Versorgung eingebunden werden. Zunächst werden verschiedene Speicherarten erläutert und die benötigten Komponenten für ein Speicherkonzept dargestellt. Daraufhin werden für ein exemplarisches Wärmenetz drei Versorgungskonzepte beschrieben und die technoökonomischen Kennwerte miteinander verglichen. Solarthermie Biomasse Industrielle Abwärme . . Saisonaler Wärmespeicher Wärmepumpe Monitoring Heiz- und . Steuerzentrale . . Windkraftanlage Bild 1 Beispielhafte Komponenten eines Wärmenetzes der 4. Generation. Anschlussnehmer . . . . Wärmenetz PV-Anlage Stromnetz . Autoren Britta Kleinertz, M. Sc., Jahrgang 1989, Bachelorstudium Umwelttechnik an der Ruhr-Universität Bochum, Masterstudium Energy Science and Engineering an der TU Darmstadt. Seit 2017 Projektingenieurin und wissenschaftliche Mitarbeiterin bei der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, München. i bkleinertz@ffe.de Theresa Faber, M. Eng., Jahrgang 1993, Bachelorstudium Prozessintegrierter Umweltschutz an der Ernst-Abbe- Hochschule Jena, Masterstudium Nachwachsende Rohstoffe und Erneuerbare Energien an der HAWK Göttingen. Seit 2019 Projektingenieurin bei Wegatech Greenergy GmbH, München. Dr.-Ing. Götz Brühl, Jahrgang 1957, Studium der Energietechnik und Promotion an der TU Berlin. Seit 2002 Geschäftsführer der Stadtwerke Rosenheim GmbH & Co. KG. Dr.-Ing. Serafin von Roon, Jahrgang 1975, Studium des Wirtschaftsingenieurwesens an der TU Berlin. Seit 2011 Geschäftsführer der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH, München. i sroon@ffe.de Knapp ein Drittel des deutschen Endenergieverbrauchs ist auf die Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser zurückzuführen [1]. Zum Erreichen der Klimaziele muss daher auch im Wärmesektor eine Umstellung von der Nutzung fossiler Brennstoffe hin zu erneuerbaren Energien erfolgen. Wärmenetze der 4. Generation (Komponenten beispielhaft dargestellt in Bild 1) stellen Wärme bei Temperaturen zwischen 20 und 90 °C hocheffizient bereit, womit sie die Integration von erneuerbaren Wärmequellen und Abwärme ermöglichen [2]. Weiterhin sind zur Integration erneuerbarer Wärmequellen die Anwendung geeigneter Speicher sowie deren intelligente Regelung von essenzieller Bedeutung. In dem Projekt „Machbarkeitsstudie für ein Wärmenetz 4.0“ [3] werden für ein exemplarisches Versorgungsgebiet verschiedene Maßnahmen untersucht, um die Effizienz der netzbasierten Wärmeversorgung zu steigern und die Wärmeversorgung basierend auf erneuerbaren Energiequellen zu ermöglichen. Angelehnt daran wurden basierend auf einer Metastudie zu aktuell in Wärmenetzen verwendeten Speicherkonzepten [4] für das favorisierte Versorgungskonzept drei unterschiedliche Speicherkonzepte untersucht. Abgrenzung Speichersystem und Speicherkonzept Die Komponenten eines Speichersystems sind neben dem Speicher selbst, die angeschlossenen Wärmeerzeuger und -verbraucher sowie die Regelung der einzelnen Komponenten. Ein Speicherkonzept hingegen besteht aus einem oder mehreren Speichersystemen. Hierbei sind die Erzeuger und Verbraucher identisch, es liegen jedoch mehrere Speicher mit unterschiedlichen Regelungen vor. Mögliche Arten der thermischen Speicherung Thermische Energie lässt sich auf verschiedene Arten – sensibel, latent und thermochemisch – speichern: > Sensible Wärme wird in festen oder flüssigen Medien gespeichert, wobei die Energieaufnahme immer zu einer Änderung der Temperatur des Speichermediums führt. Die Volumina sensibler Speicher schwanken von kleinen Pufferspeichern in Einfamilienhäusern (zum Teil kleiner als 1 m 3 ) bis hin zu saisonalen Wärmespeichern, die erst ab Volumina größer 1 000 m 3 energetisch effizient 46 BWK Bd. 71 (2019) Nr. 1/2

EnergieForum Bild 2 Übersicht über Einsatzbereich, Speicherdauer, Speicherkapazität und Temperaturbereich ausgewählter Speichertechnologien ( 1 = [10], 2 = [11], 3 = [6], 4 = [12]; gelb = sensibel, orange = latent, rot = thermochemisch). Speichertechnologie Spezifische Speicherkapazität [kWh/m³] Temperaturniveau [°C] Kosten 4 [€/kWh] Speicherkonzepte für das exemplarische Versorgungsgebiet Im Versorgungsgebiet sind zum einen auf einem Liegenschaftsgelände ältere Bestandsgebäude vorhanden, die eine Vorlauftemperatur von rund 70 °C benötigen (Rücklauf rund 50 °C). Des Weiteren bein- Speicherdauer Einsatzbereich Kurz Lang Stat. Mob. Erdsondenspeicher 3 4 x x Feststoffspeicher 3 18 x x x Behälterspeicher 3 5 x x x Kies-Wasser-Erdbecken 3 4 x x sind. Während Haushaltsspeicher aus Kostengründen immer Wasser als Speichermedium nutzen, gehören zu den saisonalen Speichern Erdsonden-, Aquifer-, Kies-Wasser-Erdbecken- und Behälterspeicher, die sowohl feste als auch flüssige Medien zur Speicherung einsetzen. Die Speicherung in festen Medien ist jedoch auch für kurze Zeit möglich, wie beispielsweise bei einem Feststoffspeicher aus Beton [5 bis 7]. > In latenten Speichern führt die Aufnahme beziehungsweise Abgabe thermischer Energie zu einem Phasenwechsel, wobei überwiegend Speicher mit einem Phasenübergang von fest zu flüssig realisiert werden. Der Vorteil der latenten Speicher ist somit, dass sich die Temperatur nur gering erhöht und somit Wärmeverluste reduziert werden können. Das Speichermedium ist dabei so zu wählen, dass die Temperatur des Phasenübergangs des Mediums im Bereich der Wärmequelltemperatur liegt oder darunter. Häufig eingesetzte Speichermedien sind dabei Salzhydrate und Paraffine, aber auch Wasser beziehungsweise Eis [5; 8]. > Bei der thermochemischen Speicherung wird die Reaktionsenergie von reversiblen chemischen Prozessen oder von Sorptionsprozessen genutzt. Wie bei latenten Speichern kann der Prozess der Wärmeaufnahme zu einem beliebigen Zeitpunkt umgekehrt und somit die gespeicherte Wärme wieder abgeben werden. Das am häufigsten verwendete Speichermaterial ist eine Mischung aus Zeolith beziehungsweise Silicagel mit Wasser, das beim Laden, also unter Zufuhr thermischer Energie, getrennt wird. Zum Entladen des Speichers werden die beiden Speichermaterialen wieder zusammengebracht [5; 9]. In Bild 2 ist die Klassifizierung der genannten Speicher über die spezifische Speicherkapazität, das Temperaturniveau, die Kosten, den Einsatzbereich und die Speicherdauer dargestellt. Vor allem die Temperatur ist bei Wärmenetzen 4.0 kritisch, da diese 90 °C nicht überschreiten soll. Die sensiblen Speichertechnologien, in gelb dargestellt, weisen eine niedrigere Aquiferspeicher 3 1 x x Wasser/Eis 1 x x x Salzhydrate 1 150 x x x x Paraffin 1 x x x x Zeolith 2 x x x x 75 Silikagele 2 x x x x 0 100 200 300 40 0 100 200 300 Bild 3 Schematische Darstellung des Speicher - konzeptes mit saisonalem Wärmespeicher. Bild 4 Schematische Darstellung des Speicher - konzeptes ohne Solarthermie. Speicherkapazität auf als die latenten (orange) und die thermochemischen Speicher (rot). Dafür sind die spezifischen Kosten von sensiblen Speichern aktuell ebenfalls sehr viel niedriger. Während stationäre Speicher immer an ihrem Einsatzort verbleiben, können mobile Speicher an einem anderen Standort sowohl beals auch entladen werden. Hierfür sind aufgrund der höheren spezifischen Speicherkapazität und dem damit einhergehenden geringeren zu transportierenden Gewicht vor allem latente und thermochemische Speicher geeignet. BWK Bd. 71 (2019) Nr. 1/2 47

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