Fernwärmenetze, die vollständig mit erneuerbaren Energien versorgt werden, benötigen großdimensionierte Speicher, um große Mengen an erneuerbarer Wärme bzw. Abwärme vom Sommer in die Wintersaison speichern zu können und damit ein hohes Maß an Flexibilität zu ermöglichen. Das Volumen dieser Giga-Speicher muss bis zum Zehnfachen über dem der heute eingesetzten Speicher (mit 200.000 m3) liegen. Im städtischen Bereich können so große Wärmespeicher nur unterirdisch gebaut werden. Das stellt hohe Anforderungen an die Technologie, die Materialien und die Konstruktion dieser Giga-Speicher.
Großangelegtes Leitprojekt
Das Projekt GigaTES zielte darauf ab, Großspeicherkonzepte für städtische Quartiere zu entwickeln, die ausschließlich oder zu einem hohen Anteil mit erneuerbarer Energie versorgt werden. 18 internationale Partner aus Forschung und Industrie1 arbeiteten dabei unter der Leitung der AEE INTEC zusammen. Dazu zählten Material- und Komponentenhersteller, Bauunternehmer und Ingenieure, Energieversorgungsunternehmen sowie nationale und internationale Forschungsinstitute. Alle wichtigen Aspekte, die in der Planungs-, Konstruktions- und Betriebsphase eines großtechnischen thermischen Energiespeichers relevant sind, wurden im Rahmen des Projekts bearbeitet. Gesucht waren Lösungen, die in Österreich realisiert werden können.
Forschungsschwerpunkte waren u. a.:
> neue Materialien für wasserdampfdichte Folien, mit Fokus auf einer langen Lebensdauer und hohen Speichertemperaturen
> neue Baukonstruktionen für Wand, Boden und Abdeckung der Wärmespeicher
> Tools für die Kostenoptimierung verschiedener Baukonzepte
Weiters wurden Berechnungsmethoden für die Integration der Speicher in Fernwärmenetze sowie zur Abschätzung der Wirtschaftlichkeit auf Material-, Komponenten- und Systemebene entwickelt und Simulationen zur Auslegung und Bewertung der thermischen Energiespeicher durchgeführt. Diese berücksichtigen spezifische Randbedingungen wie Größe, System, Standort und Hydrogeologie.
Fallstudien für zwei Wärmenetze
Zwei repräsentative Fallstudien zeigen, dass die Integration eines Großwärmespeichers die Gesamtleistung des Systems verbessern kann, indem der Anteil der erneuerbaren Energiequellen in den Fernwärmenetzen deutlich erhöht wird. Ein kleineres Wärmenetz, in das ein 100.000 m3 großer Langzeitspeicher integriert werden soll, sowie ein mittelgroßes Wärmenetz mit einem Speichervolumen von 1.200.000 m3 wurden analysiert. Das primäre Ziel ist es, die Laufzeiten der fossilen Spitzenlastkessel in den Wintermonaten durch die Speicherung von überschüssiger solarthermischer und geothermischer Wärme aus dem Sommer stark zu reduzieren. Für jedes System wurden zwei Varianten definiert, um Hochtemperatursysteme (90 °C/60 °C) sowie zukünftige Niedertemperatursysteme (60 °C/30 °C) darstellen zu können. Das neu entwickelte Kostentool wird eingesetzt, um das günstigste Speicherkonzept für jede Anwendung und Randbedingung zu ermitteln.
Innovative Konstruktion
Die innovativen Baukonzepte können deutlich größere Volumina bereitstellen als bisherige Bauvarianten. Für unterschiedliche Volumengrößen, Flächenverfügbarkeiten und geotechnische Bodenmodelle wurden passende Auslegungsvarianten erarbeitet. Wichtiges Thema ist die kostengünstige Wärmedämmung, die Wärmeverluste verringern und das Grundwasser vor Überhitzung schützen soll. Eine besondere Anforderung stellt die Speicherung von Wasser bei hohen Temperaturen über längere Zeiträume dar. Hier kann es zu erheblichen Wärmeverlusten kommen. Für diese Anwendung wurde die sogenannte „isolierende Bohrpfahlwand“ entwickelt und patentiert, eine Lösung mit potenziell niedrigen Installationskosten und sehr guten thermischen Materialeigenschaften.
Neuartige Abdeckung
Die Abdeckung des Speicherbeckens ist eine Schlüsselkomponente und entscheidend für den wirtschaftlichen Betrieb des Wärmespeichers. Zwei innovative Abdeckungskonzepte, eine getauchte und eine schwimmende Variante, konnten ebenfalls im Rahmen des Projekts entwickelt und patentiert werden. Diese Abdeckungen können als Erholungsraum, für Gewächshäuser oder für die Installation von Solarthermie- und PV-Anlagen genutzt werden.
Langlebige Materialien
Verschiedene neue polymere Linermaterialien wurden für die Auskleidung der Speicher getestet und deren Lebensdauer anhand von experimentellen Alterungsdaten abgeschätzt. Beim leistungsfähigsten Polypropylen-Typ liegen durchschnittlichen Lebensdauerwerte im Bereich von 31 bis 35 Jahren. Für Niedertemperatur-Großspeicher mit Betriebstemperaturen im Bereich von 35 bis 80 °C wurden Zeiträume deutlich über 50 Jahren ermittelt. Das neue Material hat damit eine um mehr als Faktor 2 längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Polyethylen-Liner-Materialien.
www.gigates.at
„Für die Energiewende ist es nicht nur wichtig den Anteil an Erneuerbarer Energie zu steigern. Dazu braucht es v. a. auch den Ausbau von Speicherkapazitäten. Innovative Speichertechnologien sind ein wesentlicher Baustein für das Funktionieren des zukünftigen Energiesystems. Als Green Tech Company arbeiten wir bereits seit mehreren Jahren an der Entwicklung von Speichertechnologien. In Salzburgs Fernwärmesystem werden größere Wärmespeicher künftig eine tragende Rolle einnehmen. Daher beteiligen wir uns schon lange aktiv an Forschungsprojekten zur technischen Machbarkeit von Großwärmespeichersystemen im städtischen Raum.“
Brigitte Bach
Vorständin Salzburg AG
1 Projektpartner: AEE INTEC (Projektleitung), SOLID Solar Energy Systems, JKU Linz/Institute of Polymeric Materials and Testing, Universität Innsbruck, Ingenieurbüro ste.p, AGRU Kunststofftechnik GmbH, Metawell, Bilfinger VAM Anlagentechnik GmbH, Geologie und Grundwasser GmbH, PORR Bau GmbH Tiefbau, Lenzing Plastics GmbH, PlanEnergi, Gebriel-Chemie Gesellschaft m.b.H., Smart Minerals, Wien Energie, Solites, Salzburg AG, GVT
