Projekt 09610/01

Erdbecken-Speicher mit Wärmeaustauscherrohren zur saisonalen Wärmespeicherung

Projektdurchführung

Dipl.-Ing. Wolfgang Käppeler
Gommertweg 26
72227 Egenhausen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines kostengünstigen Konzeptes zum Bau eines saisonalen Speichers mit Wärmetauscherrohren, bei dem als Speichermedium der Erdaushub und Wasser verwendet wird. Bau eines Pilotspeichers mit 300-400 m³ Speichervolumen unter Einsatz von Materialien und Techniken, die auf Speicher mit Volumen von 5.000-20.000 m³ übertragbar sind. Ziel des Projektes ist die Erprobung des Speicherkonzeptes und die Untersuchung der Temperaturverteilung im Speicher.
Durch den Vergleich von Messungen und Simulationsrechnungen sollen zusätzlich Ergebnisse gewonnen werden, die die Simulation derartiger Speicher verbessern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der Phase der Planung und Detailauslegung sollen die Größen der Komponenten Kollektorfeld, Speicher und Verbraucher, speicherspezifische Parameter wie Stärke der Wärmedämmung und Rohrabstand des Wärmetauschersystems, sowie Kosten der Einzelkomponenten so aufeinander abgestimmt werden, dass man ein kostenoptimiertes System erhält. Dynamische Simulationsrechnungen der gesamten Anlage und Parameterstudien werden durchgeführt.
Während der messtechnischen Begleitung werden die Einzelkomponenten sowie das Gesamtsystem energetisch bilanziert. Dafür werden alle wichtigen Wärmeströme mit Durchflussmessern und Temperatursensoren ermittelt. Eine Variation der Regelparameter, die das Zusammenwirken von Speicher, Kollektorfeld und Heizung beeinflussen, soll zu einer optimierten Regelstrategie führen. Die Temperaturverteilung im Speicher wird mittels Temperatursensoren aufgenommen und liefert Erkenntnisse über die Wärmeübertragungsgrößen bei Ein- und Ausspeichervorgängen.


Ergebnisse und Diskussion

· Es ist nicht möglich nur über einfache Temperaturfühler Wärmeverluste über die Speicheraußenflächen (Wände, Boden, Deckel) zu bilanzieren. Es müssen kostenintensive Wärmestrommessplatten eingesetzt werden.
· Ein indirektes Be- und Entladesystem über Rohrschlangen, wie es in diesem Pilotspeicher ausgeführt wurde, ist bei kleinen und mittleren Speichergrößen (<2.000 m³) von der Leistungsfähigkeit ausreichend und kostengünstig. Bei größeren Speichern sollte auf ein direktes System übergegangen werden. Die Gründe sind die mit der Speichergröße linear wachsenden Kosten und Bauarbeiten des indirekten Be- und Entladesystems, die das Kostenreduktionspotential negativ beeinflussen.
· Die Speicherabdichtung sollte doppellagig und permanent überprüfbar ausgeführt werden. Dies ist speziell während der Bauphase wichtig, da hier mit schwerem Baugerät im Speicher gearbeitet wird, und eine Verletzung der Abdichtfolie selbst bei intensiver Bauüberwachung nicht ausgeschlossen werden kann.
· Bei der hydraulischen Verschaltung der Gesamtanlage sollte auf Einfachheit und hydraulische Trennung der verschiedenen Kreise geachtet werden. Zum Beispiel kann ein Tages-Pufferspeicher zentral in eine solche Anlage integriert werden.
· Eine einfache Hydraulik ermöglicht eine Vereinfachung der Regelstrategie, so dass wenn möglich marktgängige, bewährte Regler eingesetzt werden können.
· Zur Erhöhung der volumenspezifischen Wärmespeicherkapazität eines solchen Speichers sollte dessen nutzbare Temperaturdifferenz erhöht werden. Zur Realisierung höherer Temperaturen bis auf 95°C müssen andere Materialien für die Wärmedämmung und speziell für die Abdichtung gefunden werden. Hierzu sind Materialtests und Weiterentwicklungen durchzuführen. Des weiteren könnte man dem Speicher zusätzliche Wärme über eine Wärmepumpe entziehen und so den Speicher bis auf Temperaturen von 0-5°C abkühlen.
· Die Ausführung der Wärmedämmung als Plattenmaterial hat sich bei der Größe des Pilotspeichers bewährt. Für große Speicher sollte für einen einfacheren und schnelleren Bauablauf ein Wärmedämmmaterial eingesetzt werden, das großflächig z.B. durch Einblasen oder Schütten aufgebracht werden kann.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· Solaranlagen mit Langzeitwärmespeicher zur Heizungsunterstützung und Brauchwassererwärmung, 7. Symposium Thermische Solarenergie, April 1997, Staffelstein
· seasonal storage of solar energy for an appartment/office building, North Sun97, Juni 1997, Finnland und Megastock97, Juni 1997, Japan


Fazit

· Die in 6 Monaten eingespeiste Energie wird mit der 1. Heizperiode in ca. 4 Wochen aufgebraucht.
· Der Solaranteil am Gesamtwärmebedarf beträgt im 1. Jahr 31%, wobei ein Großteil der solaren Energie direkt genutzt wird. Die saisonal gespeicherte Wärmemenge konnte nicht ermittelt werden, weil weder die in den Speicher, noch die aus dem Speicher entnommenen Wärmemengen gemes-sen wurden.
Die Höhe der notwendigen Investitionen und die Risiken beim Bau eines Erdwärmespeichers sind bei den heutigen Energiepreisen zu hoch.