Wärmeversorgungssysteme mit saisonalen Wärmespeichern

2.3.2.4 Aquiferwärmespeicher

Die vierte Art von sensiblen Wärmespeichern sind Aquiferwärmespeicher. Hierbei wird die Wärme in das vorhandene Grundwasser eingeleitet. Die Aquifer werden von wasserundurchlässigen Aquitarden oder Aquituden begrenzt werden. Es wird unterschieden in:1

 Poren-Grundwasserleiter: Sand, Kies

 Kluft-Grundwasserleiter: Sand, Kalkstein, Basalt

 Karst-Grundwasserleiter: Kalkgestein

Zur Speicherung der über Bohrlöcher eingeführten Wärme werden das Grundwasser und umliegende Gesteinsschichten genutzt.2 Durch einen Wärmetauscher kann die Wärme genutzt werden. Vorteile von Aquiferspeichern liegen in der mehrfachen Nutzung, beispielsweise der Beheizung und Kühlung von Gebäuden, sowie in der hohen Effizienz des Systems. Probleme können durch Verschlammungen und mögliche Eisenablagerungen entstehen.3

Die Baukosten sind geringer als bei den anderen Speicherarten. Diese Speicher können jedoch nur in exponierten Lagen mit speziellen Randbedingungen ausgeführt werden. Die maximalen Beladetemperaturen sind auf Grund des Schutzes des Grundwassers begrenzt, so dass in der Regel eine Wärmepumpe installiert werden muss.4 Dies bedeutet weitere Kosten für das System. Demnach liegen die Wärmekapazitäten nur im mittleren Bereich.

Auf Grund der zahlreichen Vorteile und insbesondere der weitgehenden Unabhängigkeit der lokalen Voraussetzungen wird festgelegt, dass für die weiteren Untersuchungen ein Behälterwärmespeicher gewählt wird.

2.3.3 Anwendungsbeispiele von Behälterwärmespeichern

Im folgenden Abschnitt wird die technische Weiterentwicklung von Behälterwärmespeichern in Deutschland seit den 1990er Jahren aufgezeigt. Die Speicher lassen sich dabei nach Art der Ausführung in drei Generationen unterteilen. Jede Generation soll nachfolgend kurz erläutert und dargestellt werden.1 In den Projekten Friedrichshafen, Hamburg, Hannover und München wurden auftretende Hindernisse überarbeitet, neue Konstruktionen erprobt und neben der Weiterentwicklung des Speichers zusätzlich ein Fokus auf das Gesamtsystem und die jeweilige Einbindung darin gelegt. Eine Übersicht der wichtigsten Kenndaten wird in Tabelle 2-4 gegeben. Die Unterschiede in allen Kenndaten sind dabei groß.

Tabelle 2-4:

Kenndaten Pilotprojekte in Deutschland mit Behälterwärmespeichern2

Probleme der Anlagen resultierten aus zu hohen Netzrücklauftemperaturen, einer Durchfeuchtung beziehungsweise dem Versagen der Dämmung und einer mangelnden Temperaturschichtung im Speicher und somit einer geringen Effizienz.3

Eine grundsätzliche Machbarkeit der saisonalen Wärmespeicherung in Quartieren in Deutschland konnte festgestellt werden. Für einen effizienten Betrieb sollten die folgenden Rahmenbedingungen eingehalten werden:

 Mindestgröße der Versorgungseinheit sollte circa 200 Wohneinheiten betragen,4

 die Haustechnik muss zwingend mit dem Speicher und der Solarthermieanlage abgestimmt werden,

 eine gründliche Vorplanung verhindert Baufehler und somit Kostensteigerungen im Bau und Effizienzsenkungen im Betrieb.

Neben den nationalen Pilotprojekten existieren internationale Forschungen zur Wärmespeicherung, insbesondere in Nordeuropa. Tabelle 2-5 zeigt, dass die Entwicklung von Behälter- und Erdbeckenwärmespeichern seit 1978 erfolgt. Bislang konnte die reibungslose technische Machbarkeit und insbesondere die wirtschaftliche Realisierbarkeit nicht gewährleistet werden. Bei nationalen Pilotprojekten wurden grundsätzlich Forschungs- und Förderungsmittel benötigt. Eine Markteinführung ist unter diesen Umständen nicht möglich. Somit ist es unumgänglich die Investitions- und Betriebskosten weiter zu senken.

Tabelle 2-5:

Historischer Überblick Wärmespeicher in Europa5

2.3.3.1 Erste Generation: Wärmespeicher Friedrichshafen

Der Wärmespeicher in Friedrichshafen-Wiggenhausen wurde im Jahr 1996 errichtet. Als einer der ersten realisierten Wärmespeicher in Deutschland wurde mit ihm die technische Machbarkeit nachgewiesen. Er versorgt ein Wohngebiet mit circa 35.000 m² Wohnfläche und hat ein Volumen von 12.000 m³.1

Die Konstruktion besteht aus einem drucklosen Stahlbetonbehälter in Form eines Zylinders mit aufgesetztem Kegelstumpf mit einer Höhe von 20 m und einem Durchmesser von 33 m. Der schematische Speicherquerschnitt und der Wandaufbau sind in Abbildung 2-15 dargestellt.

Abbildung 2-15:

Speicherquerschnitt und -wandaufbau Wärmespeicher Friedrichshafen2

Die Speicherhülle aus Stahlbeton wurde mit einer inneren Edelstahlabdichtung errichtet. Diese stellt die Wasserdampfdichtigkeit sicher. Der Speicher ist seitlich und am Deckel mit Mineralwolle gedämmt, welche sich im laufenden Betrieb als ungeeignet für den Einsatz bei Wärmespeichern zeigte.

Die Wärmegewinnung erfolgt über Solarkollektoren. Diese wurden auf den Dachflächen der Wohnhäuser aufgeständert und in die Dächer integriert. Bei einer integrierten Bauweise sind die Investitionskosten niedriger, da die „Solar Roofs“ neben der solarthermischen Funktion zusätzlich die Funktion der Dachhaut einnehmen, so dass Synergieeffekte genutzt werden können. Das Wärmenetz besteht aus vier Leitern, welche sich in das Kollektor- und das Wärmeverteilnetz unterteilen. Eine Besonderheit des Nahwärmenetzes in Friedrichshafen mit dem Langzeitwärmespeicher liegt in der Unterteilung der Bauabschnitte. Nur der erste und der zweite Bauabschnitt sind mit Solarkollektoren ausgestattet. Diese wurden zeitversetzt errichtet. Der dritte Bauabschnitt ist nur an das Netz angeschlossen, soll dieses aber nicht mit zusätzlicher Solarthermie versorgen. Dieser Abschnitt sollte im Jahr 2017 fertiggestellt werden.3

Die Investitionskosten für den Wärmespeicher betrugen circa 1,5 Millionen €. Die spezifischen Kosten liegen im Betrachtungsjahr 1996 bei 128,50 €/m³. Die Kosten wurden zu einem erheblichen Teil von staatlicher und privater Förderung getragen.4

Im Betrieb sind große Mängel bei diesem Wärmespeicher deutlich geworden. Diese führten zu Speicherverlusten:

 Temperaturabgabe durch fehlende Dämmung am Speicherboden, da sich keine Temperatursättigung im Boden einstellte,

 Mineralwolle durchfeuchtete, wodurch die Dämmwirkung sank,

 hohe Speicherverluste durch zu hohe Rücklauftemperaturen, so dass das Speichervolumen nicht optimal genutzt werden konnte.

Für eine Ertragsmaximierung muss auf eine optimale Ausrichtung der Solarkollektoren geachtet werden. Die unterschiedlichen Bauabschnitte führten zu verschiedenen Herstellern der Hausübergabestationen. Dies wirkte sich negativ auf die Auslastung des Speichers aus. Abschließend musste festgestellt werden, dass sowohl die Anlagentechnik als auch die Gebäudestandards optimiert werden müssen, um einen effizienten Einsatz des Wärmespeichers zu gewährleisten.5

2.3.3.2 Zweite Generation: Wärmespeicher Hannover

Der Wärmespeicher in Hannover-Kronsberg wurde anlässlich der Weltausstellung Expo im Jahr 2000 errichtet. Sein Volumen beträgt 2.750 m³. Er versorgt eine Wohn- und Nutzfläche von circa 2.360 m².1

Im Gegensatz zu der ersten Speichergeneration besteht seine Hülle nicht aus Stahlbeton mit einer Edelstahlauskleidung, sondern aus Hochleistungsbeton (HLB). Diesem wurde Silicastaub beigemischt, um eine statische und dichtende Wirkung zu erreichen. Dadurch sollten die Investitionskosten gesenkt werden. Auf Grund des Zeitdrucks bei der Planung und des Baus und den schwierigen Baugrundverhältnissen konnte dies in Hannover jedoch nicht erreicht werden. Der Durchmesser des Speichers in Form eines Zylinders mit aufgesetztem Kegelstumpf beträgt 19 m, die Höhe 11 m.2

Abbildung 2-16:

Speicherquerschnitt und -wandaufbau Wärmespeicher Hannover3

Die Wärmedämmung musste wasserbeständig sein, da durch den Hochleistungsbeton jährlich circa 4 l/m³ Wasserverlust entsteht. Erstmals wurde hierbei Blähglasgranulat für die Dämmung der Decke und der Wände eingesetzt. Zusätzlich wurde eine Dampfsperre zwischen der Betonwand und der Dämmung verbaut. Die Schichtdicke der Dämmung nimmt mit der Höhe des Speichers zu.4

Für eine effizientere Be- und Entladung des Speichers wurden drei Ladeebenen installiert, so dass die Wasserentnahme und -befüllung temperaturabhängig durchgeführt werden kann.

Das Wärmenetz besteht wie in Friedrichshafen aus zwei Leitungskreisen. Das Kollektorsammelnetz bringt die Wärme von den Kollektoren zur Heizzentrale. Dort kann sie entweder in den Speicher geleitet werden oder zur direkten Nutzung bereitgestellt werden. Die Nachheizung des Quartiers erfolgt mittels Fernwärme.

Durch verspätete Planungsentscheidungen mussten die „Solar Roofs“ in Hannover auf Notdächer aufgebracht werden. Dies führte zu einer schlechten Ausnutzung der solarthermischen Potenziale.

Die Investitionskosten des Wärmespeichers betrugen circa 770.000 €.5 Somit liegen die spezifischen Kosten im Betrachtungsjahr 2000 bei 279 €/m³ und damit höher als in Friedrichshafen.

Die verwendeten Materialien und Techniken konnten beim Wärmespeicher in Hannover weiterentwickelt werden. Jedoch führten mangelhafte Planungsleistungen und eine zu kurze Planungszeit zu erheblichen Mängeln:

 Baukosten konnten auf Grund der kurzen Planungszeit und fehlender Optimierungsplanung nicht essentiell gesenkt werden,

 mangelnde Bauvorbereitung, insbesondere in Bezug auf den Untergrund, führte zu einer weiteren Erhöhung der Baukosten,

 die Bauzeit im Winter führte zu gesteigerten Kosten,

 durch große Unsicherheiten im Vorfeld konnte der Speicher nicht optimal geplant werden (beispielsweise durch die Verkleinerung des Baufeldes),

 erhebliche Ertragsausfälle durch Undichtigkeiten im Kollektorkreis.

2.3.3.3 Dritte Generation: Wärmespeicher München

Das Pilotprojekt „Solare Nahwärme Ackermannbogen“ in München ist im Jahr 2007 in Betrieb gegangen und zählt zu der dritten Generation von Wärmespeichern. Der Speicher besitzt ein Volumen von 5.700 m³ und versorgt ein Gebiet mit 30.400 m² Geschossfläche, aufgeteilt auf 300 Wohnungen.1 Im Gegensatz zu den Pilotprojekten in Friedrichshafen und Hannover wurden für den Bau Betonfertigteile eingesetzt, die die Projektkosten senken sollten.

Die Fertigteile besitzen eine innere Edelstahlauskleidung, welche nach dem Einbau überlappend verschweißt wurde. Diese gewährleistet die Wasserdampfdichtigkeit. Die Fertigteile werden nach ihrem Einbau vorgespannt. Erstmals wurde der Speicherboden gedämmt, um die Wärmeverluste zu minimieren. Zum Einsatz kam hierbei Schaumglasschotter. Wände und Decke des Speichers sind wie in Hannover mit Blähglasgranulat gedämmt. Die Höhe des Speichers in Form eines Zylinders mit zwei aufgesetzten Kegelstümpfen beträgt 16 m, der Durchmesser 26 m. Damit wurde ein in Bezug auf die Speichergeometrie optimales Oberflächen-Volumen-Verhältnis von 0,29 m²/m³ erreicht.2

Abbildung 2-17:

Speicherquerschnitt und -wandaufbau Wärmespeicher München3

Um das Temperaturniveau im Wärmespeicher sicherzustellen, wurde ein Schichtlader im Speicher installiert. Gleichzeitig sorgt eine Absorptionswärmepumpe für eine effiziente Nutzung des Wärmespeichers. Das Quartier ist für die Spitzenlastversorgung an das Fernwärmenetz angeschlossen. Die Gebäude wurden für eine Optimierung der Netzrücklauftemperaturen energetisch angepasst. Dafür wurde ein verbesserter Wärmeschutz im Vergleich zum damaligen EnEV-Standard geplant und die Heizungen und Übergabestationen optimiert.4

Die Kosten des Speichers konnten durch den Einsatz der Fertigteile im Vergleich zu vorherigen Speichern in Ortbetonbauweise gesenkt werden. So betragen die gesamten Investitionskosten des Wärmespeichers 857.000 €.5 Die spezifischen Kosten konnten im Betrachtungsjahr 2007 auf 150 €/m³ gesenkt werden.

Der Speicher weist eine sehr gute Schichtung auf, so dass der Aufbau positiv gewertet werden kann. Dennoch traten im Pilotprojekt München ebenfalls Probleme auf:

 der solare Deckungsanteil konnte nicht erreicht werden, da die Kollektorkenndaten nicht mit den tatsächlichen erzielbaren Werten übereinstimmen,

 Undichtigkeiten der Kollektoren führen zu Ertragsminderungen,

 Probleme des Schichtladers und somit der optimalen Verteilung des Wassers,

 Ausfall der Temperatursensoren,

 Fehlerhafte Funktion der Absorptionswärmepumpe, insbesondere durch falsche Auslegung und Programmierung.

Die Probleme der zu hohen Netzrücklauftemperaturen, welche die Wärmebilanz verringern, konnten in München durch die fachgerechte Planung der Gebäude verhindert werden.6