Neue hybride Wärmelangzeitspeicher aus Zement

Erforschung eines intelligenten geothermischen Langzeitwärmespeichers mit umweltneutralem Verhalten.

Der Energieverbrauch steigt weltweit stetig an. Energiesparmaßnahmen und die Verbesserung der Energieeffizienz können dem in Zukunft entgegenwirken. Gerade Privathaushalte bieten ein großes Potential an Einsparmöglichkeiten. Diese verbrauchen in Deutschland 30% der gesamten Energie und sind für 15% aller energiebedingten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Der Großteil der Energie der Privathaushalte wird für das Heizen (71%) und die Warmwassererzeugung (12%) benötigt.

Nachdem Gebäude in den vergangenen Jahren vermehrt wärmetechnisch saniert und veraltete Heizanlagen modernisiert wurden, besteht nun dringender Bedarf auch Wärmespeicher im Temperaturbereich von 30°-90°C im Haus zu integrieren bzw. bestehende Speicher zu erneuern und zu erweitern. Dies ist zum einen notwendig um das schwankende Angebot zunehmend genutzter regenerativer Energiequellen auszugleichen, wenn beispielsweise an einem sonnigen Tag viel Solarthermie erzeugt wird und diese für kältere Tage gespeichert werden soll. Zum anderen besteht Bedarf einer zeitweisen Verknüpfung von Strom- und Wärmeversorgung (Sektorenkoppelung), um Strom- und Wärmesystem zu flexibilisieren. Mit den Wärmespeichern würden zudem die Stromverteilnetze entlastet und die dezentrale Einspeisung von Energie ermöglicht werden. Um dies zu realisieren sind große Wärmespeichereinheiten notwendig. Die bisher in Gebäuden oft verwendeten Warmwasserspeicher reichen hierfür nicht aus, da diese mit einem großen Platzbedarf verbunden sind. Wasserrechtliche Vorgaben sowie fehlende Erkenntnisse zu Auswirkungen von Speicheranlagen auf das örtliche Grundwasser schränken ihrerseits die Nutzung geologischer Optionen zur Wärmespeicherung im Untergrund ein.

Feststoff-Wasser-Systeme als Alternative

Die Suche nach platzsparenden Alternativen zu Warmwasserspeichern ist also dringend geboten. Diese sollten sich durch geringe Umweltauswirkungen sowie die Möglichkeit, die Anlagen wirtschaftlich effizient in Alt- und Neubauten zu integrieren auszeichnen. Weiterhin sollten die Anlagen möglichst robust und wartungsarm sein. Zu den Anlagen, die diesen Anforderungen entsprechen, gehören Feststoff-Wasser-Systeme. Bei diesen Systemen kann ein Feststoff-Speicher, bestehend aus einem thermischen Verfüllbaustoff wie Zement, direkt unter einem Gebäude angelegt werden. Die zahlreichen Poren des Speichermaterials werden mit Wasser gefüllt, was dessen Kapazität zur Wärmespeicherung deutlich vergrößert. In den Speicher werden weiterhin Wasserleitungen als Wärmetauscher integriert, die wiederum mit den Heizkreisläufen des Gebäudes verbunden sind. Das darin zirkulierende Wasser wird durch die im Zement gespeicherte Wärme oder Kälte aufgewärmt bzw. abgekühlt. So kann dort beispielsweise durch eine Solarthermieanlage erzeugte Energie gespeichert werden, um später für die Erwärmung von Fußbodenheizung, Heizkörper oder Warmwasser in der Dusche genutzt zu werden. Eine intelligente hierarchische Regelungseinheit hilft bei der optimalen Nutzung des Systems. Momentan befinden sich solche Anlagen jedoch noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium.

Im Projekt „IGLU“ (Intelligente geothermische Langzeitwärmespeicher mit umweltneutralem Verhalten) werden diese Feststoff-Wasser-Systeme nun genauer erforscht. Das Projekt wurde von der SCHEER Heizsysteme & Produktionstechnik GmbH, einem auf Entwicklung und Herstellung von Heizsystemen spezialisierten mittelständischen Unternehmen, zusammen mit der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und dem Helmholtz Zentrum für Umweltforschung in Leipzig, ins Leben gerufen.

Dabei sollen auf der Basis der Erfahrungen aus dem Betrieb einer ersten Energiespeicher-Laboranlage, die seit 2012 in Neumünster betrieben wird, einzelne Komponenten der Speicher weiterentwickelt und in ihrer Gesamtheit sowie in weiteren feldnahen Pilotanlagen erprobt werden. Die Speicheranlagen sollen so optimiert werden, dass sie sowohl bezüglich der Speicherkapazität als auch der Kosten eine Alternative zu konventionellen Anlagen darstellen.

Als thermischer Verfüllbaustoff wird im Rahmen des Projekts für die Anlagen gezielt ausgewählter Zement verwendet. Als Ort für den Speicher können die Räume zwischen den Fundamenten eines Gebäudes oder in der Nähe liegende Baugruben bzw. unterirdische Leerräume aus früheren Verwendungen (Öltanks etc.) genutzt werden. Eine spezielle Wärmedämmung sorgt für eine Verminderung des Wärmeverlustes zu den Seiten und nach oben. Das Erdreich eignet sich vor allem zur Speicherung von großen Wärmemengen auf relativ niedrigem Temperaturniveau. Da dessen Wärmedämmwirkung relativ gering, das Speichervolumen allerdings sehr groß ist, können bereits bei relativ geringen Temperaturdifferenzen große Wärmemengen wirtschaftlich gespeichert werden.

Das Projekt „IGLU“ läuft seit 2014. Bisher haben die Wissenschaftler an der Optimierung wichtiger Systemkomponenten geforscht, um sowohl Wärmespeicherkapazität und -leistung, als auch die mechanische Integrität der Speicherkomponenten bei typischen zu erwartenden Aufheiz- und Abkühlzyklen zu optimieren. Die verschiedenen Speicherszenarien wurden zudem auf potenzielle Umweltwirkungen untersucht, um unzulässige Eingriffe in Ökosysteme zu vermeiden. In diesem Zusammenhang gilt es insbesondere zu beachten, dass sich die Temperatur des Untergrunds in der Umgebung der Speicher nicht in einem Maße erhöht, dass die mikrobiologischen Bedingungen in Grundwasserleitern gestört werden. Gleichzeitig ist sicherzustellen, dass es durch den Wärmeeintrag in den Boden nicht zu unzulässigen Hebungen und Senkungen kommt und das Speichermaterial keine umwelttoxischen Wirkungen entfaltet. Die Wissenschaftler verfolgen dabei einen kombinierten Ansatz aus experimentellen Arbeiten und numerischer Simulation mit dem Programmsystem OpenGeoSys, das federführend am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ entwickelt wird. Basierend auf den experimentell-numerischen Ergebnissen werden Auslegungsrichtlinien erarbeitet, die es ermöglichen sollen, das System dem Wärmemarkt möglichst schnell als zuverlässige, umweltverträgliche und kostengünstige Alternative zu konventionellen Speichersystemen anzubieten. Die Erkenntnisse von diesem Speicher können sowohl für den Wärmemarkt im gewerblichen als auch im privaten Bereich genutzt werden.

Text, Fotos und Grafiken soweit nicht andere Lizenzen betroffen: eskp.de | CC BY 4.0
eskp.de | Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft

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