1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung...

58
1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen, öffentliche Verwaltung, etc.) Miguel Ramirez Dr Shane Colclough Prof Neil J Hewitt Deutsche Version: Dr.- Ing. Dan Bauer

Transcript of 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung...

Page 1: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

1

Seasonal Thermal Energy Storage (STES)for EDUCATORS

Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder

(wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen, öffentliche Verwaltung, etc.)

Miguel RamirezDr Shane ColcloughProf Neil J Hewitt

Deutsche Version: Dr.-Ing. Dan Bauer

Page 2: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

2

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 3: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

3

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 4: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

4

Kälte während des Winters speicher, um sie im Sommer zu nutzen

Wärme im Sommer speichern, um sie im Winter zu nutzen

Was ist STES?

Page 5: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

5

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 6: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Warum STES?

Datenquelle: SoDa-is.com

Der Energieverbrauch von Gebäuden macht 30-40% des gesamten Energieverbrauchs der EU aus

60-70% davon ist für die Beheizung von Wohngebäuden Wärmebedarf zur Raumheizung besteht meistens in der

Winterzeit wenn wenig Solarstrahlung vorliegt Solarwärme wird im Sommer zur Nutzung im Winter

gespeichert Nordeuropäische Länder haben eine mittlere

Umgebungstemperatur von ca. 5°C und eine jährliche Globalstrahlungssumme von bis zu 1000 kWh/a m² (Stockholm)

Page 7: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

7

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 8: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

8

Antikes Persien400 vor Christus wurden 20 Meter hohe Ziegeltürme (Yakhchals) genutzt, Eis zu speichern um damit bei Umgebungs-temperaturen bis zu 40°C zu kühlen

Römernutzten im 1. Jahrhundert nach Christus Brunnen und transportierten Schnee um ihre Speisen und Wein zu kühlen

KühlhäuserIm 18.-19. Jahrhundert wurde Fluss- oder Brunnenwasser genutzt, um im Inneren kühle Temperaturen zur Haltbarmachung von Lebensmitteln zu erzeugen (Middleton, England – Glen River, Nordirland).

Geschichte der STES – Kältespeicherung

Sour

ce: G

riffith

s & C

olclo

ugh

Sour

ce: a

wesc

i.com

Page 9: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

9

Deutschland nach dem 1. WKErste Machbarkeitsstudien ab 1920 aufgrund der limitierten Ressourcen

USADas Keck “Glas” Haus 1933 und das MIT Haus 1939 waren beide aus Glas und mit viel thermischer Kapazität zur Wärme-speicherung gebaut.

Dänemark, SchwedenWährend der 70er Jahre zwang die Ölkrise die Regierungen dazu, nach Alternativen zu suchen. Kleine und Große thermische Energiespeicher in Kombination mit Nahwärmesystemen wurden gebaut.

Geschichte der STES – Wärmespeicherung

Page 10: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

10

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 11: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

11

Wie es funktioniert - Komponenten

Wärmequelle Solar Biomasse Industrielle Abwärme..

Thermische Speicher Hohe thermische Kapazität Große Volumina Geringe Wärmeverluste

Anlagentechnik und Verteilung Brenner, Wärmepumpe Nahwärmesystem

Page 12: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

12

ParallelWärmepumpe, Solarkollektor und STES arbeiten unabhängig zur Deckung des Wärme-bedarfs

SeriellSolarkollektor oder STES als Wärmequelle für die Wärme-pumpe oder in Ergänzung zu anderen Quellen

Seriell/ParallelMischbetrieb: Entweder die Wärmepumpe oder die Solarkollektoren stellen Wärme bereit. Dabei arbeiten sie seriell oder parallel.

Wie es funktioniert- Konfigurationen

Sou

rce:

Sol

ites

Page 13: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

13

ParallelDie Solarkollektoren sind direkt mit dem Speicher verbunden und beladen ihn in Zeiten hoher solarer Einstrahlung. Der Speicher liefert warmes Wasser zur Erzeugung von Trinkwarmwasser (TWW) und für die Raumheizung während der Heizperiode (Winter).Wenn die Temperatur des Speichers unter die notwendige Vorlauftemperatur fällt, liefert die Wärmepumpe die Wärme für Trinkwarmwasser und Raumheizung. Die Wärmequelle der Wärmepumpe ist extern und kann Umgebungsluft, Erdwärme oder Abwärme sein.

Wie es funktioniert- Konfigurationen

Solar Collectors

STESHeat Pump (Air/Ground source)

DHW

LOAD

Page 14: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

14

SeriellDie Solarkollektoren, der Speicher und die Wärmepumpe sind in Reihe geschaltet. Wärme wird in Zeiten hoher solarer Einstrahlung gespeichert. Die Solarkollektoren können als direkte Wärmequelle für die Wärmepumpe dienen oder indirekt über den Wärmespeicher. Die Wärmepumpe wird als Wasser-Wasser-Wärmepumpe ausgeführt und ist in der Lage, den thermischen Leistungsbedarf der angeschlossenen Abnehmer zu decken. Der Speicher kann somit im Jahresschnitt auf niedrigeren Temperaturen betrieben werden, was dessen Wärmeverluste reduziert.

Wie es funktioniert- Konfigurationen

Solar Collectors

STES

Heat Pump

DHW

LOAD

Page 15: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

15

Seriell/ParallelDer Speicher wird von der Solarkollektoren beladen und stellt Wärme zur Trinkwarmwasserbereitung und Raumheizung bereit. Wenn die Temperatur im Speicher unter die mindestens notwendige Vorlauftemperatur fällt, erhöht die Wärmepumpe das Temperaturniveau. Die Wärmepumpe nutzt so die im Speicher noch verbliebene Energiemenge. In allen drei Fällen kann die Wärmepumpe zu Zeiten mit niedrigen Stromkosten betrieben werden, um den Trimkwarmwasserspeicher kostengünstig zu beladen. Eventuell muss ein Back-Up-System, z.B. ein Gaskessel, ergänzt werden.

Wie es funktioniert- Konfigurationen

Solar Collectors

STESHeat Pump

DHW

LOAD

Page 16: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Beispiel für den Betriebsmodus Seriell/Parallel

(EINSTEIN Demonstrationsanlagen)

Page 17: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

BeladungDie Beladung des STES startet, wenn Wärme von den Solarkollektoren zur Verfügung steht. Solarwärme kann während den Sommermonaten gesammelt und im STES zur späteren Nutzung gespeichert werden. Wenn der Speicher separate Anschlusse zur Be- und Entladung hat, kann zeitgleich be- und entladen werden.

Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

Page 18: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Direkte EntladungDie Entladung beginnt mit der Heizperiode. Der STES liefert Wärme zu Gebäuden mittels eines Nahwärmenetzes. Die Vorlauftemperatur wird gemäß Heizkurve der Abnehmer gesteuert. Üblicherweise ist die maximale Vorlauftemperatur aus dem STES auf 80°C begrenzt. Mit druckbehafteten Speichern sind auch Temperaturen >100°C möglich.

TSTES > 50°C

Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

Page 19: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

WärmepumpenbetriebDie Wärmepumpe wird dann betrieben, wenn die STES-Austrittstemperatur geringer ist, als die notwendige Vorlauftemperatur der Wärmeabnehmer. Warmes Wasser aus dem STES dient dann als Wärmequelle für den Verdampfer der Wärmepumpe während der Kondensator der Wärmepumpe heißes Wasser mit ausreichend hoher Temperatur den Abnehmern zur Verfügung stellt.

10°C < TSTES < 50°C

Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

Page 20: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Zusatzsystem– BrennerWenn das Wasser im STES auf eine Temperatur sinkt, die unterhalb einer Mindesttemperatur für die Wärmepumpe liegt (z.B. 10°C), wird das Zusatzheizsystem zugeschaltet. In diesem Zustand ist der STES vollständig entladen und die Wärmeversorgung obliegt vollständig dem Zusatzheizsystem.

TSTES < 10°C

Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

Page 21: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

21

Zusatzsystem – Brenner/Wärmepumpe

Ein Zusatzsystem ist wichtig um Lastspitzen abzudecken und für Zeiträume, in denen der STES vollständig entladen ist.

Wärmepumpen sind typischerweise 3 bis 4 mal effizienter als konventionelle Heizsysteme.

Wasser/Wasser-Wärmepumpen haben eine niedrige Rücklauftemperatur zum STES. Das begünstigt die Ausbildung einer ausgeprägten Temperaturschichtung im STES.

Niedrigere Temperaturen im unteren Teil des STES begünstigen hohe Solarkollektorwirkungsgrade und reduzieren die Wärmeverluste durch den Boden.

Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

Page 22: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

22

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 23: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

23

Latente Wärme

Chemisch gebundene Energie

Fühlbare Wärme

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Page 24: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Latente WärmeÜbliche Materialien zur Speicherung latenter Wärme sind fest-flüssig-Phasenwechselmaterialien (PCM). Thermische Energie kann von PCM sowohl im festen als auch im flüssigen Zustand aufgenommen werden. Jedoch nehmen sie eine sehr große Energiemenge während des Phasenwechsels von fest nach flüssig auf. PCMs können bei gleichem Volumen bis zu 5 bis 14 mal mehr Energie speichern als herkömmliche Speichermaterialien wie Wasser, Mauerwerk oder Felsgestein. Wenn einem PCM-Speicher Wärme entnommen wird, wechselt der Aggregatszustand des PCM von flüssig nach fest. Dabei wird die latente Wärme frei.

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Page 25: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Thermochemische EnergiespeicherungDie Speicherung chemisch oder sorptiv gebundener Wärme stellt eine vielversprechende Möglichkeit der Energiespeicherung dar, mit einigen Vorteilen gegenüber der Speicherung latenter oder fühlbarer Wärme. Die Energiedichte liegt theoretisch bis zu 10 mal höher als die von Wasser, was deutlich platzsparendere Speicher ermöglicht. Die reversibel stattfindende Reaktion ist annähernd Verlustfrei. Diese beiden Vorteile vereinfachen eine effiziente Speicherung thermischer Energie über lange Zeiträume.

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Page 26: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Fühlbare WärmeFühlbare Wärme ist thermische Energie, die von einem Material abgeführt wird oder diesem zugeführt wird, wodurch sich dessen Temperatur (fühlbar) ändert. Es ist die gebräuchlichste und direkteste Methode, Wärme zu speichern. Jedoch sind Wärmeverluste bei kalter Umgebung sowie das große notwendige Volumen wesentliche Nachteile. Üblicherweise werden Wasserspeicher eingesetzt. Innovative Entwicklungen nutzen eine ausgeprägte Temperaturschichtung im Speicher sowie hocheffiziente Wärmedämmung des Speichers zur Effizienzsteigerung.

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Page 27: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

27

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 28: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

28

Q= m.cp.ΔΤ Q: Gespeicherte Energiemenge m: Masse des Speichermaterials cp: Spezifische Wärmekapazität des

Speichermaterials ΔT: Temperaturänderung des Speichermaterials

während der Beladung

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Page 29: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

29

Beispiel:Solarkollektoren erwärmen 100 m3 Wasser im inneren eines gedämmten Warmwasserspeichers von 25 auf 50°C. Welche Energiemenge ist im Wasser gespeichert?

Q = m.cp.ΔΤm = ρ.V = 1000kg/m3 x100m3 =

100000kgcp = 4.18 kJ/kg.K)ΔΤ= 25 K

Q= 100000 x 4.18 x 25 = 10450 MJ = 2.9 MWh

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Page 30: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Kies/Wasser-W ärm espeicher

Erdsonden-W ärmespeicher

Heißwasser-W ärm espeicher

So m m er W inter

W ä rm ed äm m ungAb dich tu ngSchutzvlies

Kies/Wasser-Wärmespeicher

Erdsonden-W ärmespeicher

Heißwasser-W ärm espeicher

Som m er W in ter

W ärm edäm m ungAbdich tungSchutzvlies

Warmwasserspeicher Erdbeckenspeicher

Erdsonden-Wärmespeicher Aquifer-Wärmespeicher

~70 kWh/m³ 1) ~55 kWh/m³ 2)

15-30 kWh/m³ 30-40 kWh/m³1) Jmax=90 °C, Jmin=30 °C ohne Wärmepumpe2) Jmax=80 °C, Jmin=10 °C Kies/Wasser-TES mit Wärmepumpe

Kies/Wasser-W ärm espeicher

Erdsonden-W ärmespeicher

Heißwasser-W ärm espeicher

Som m er W inter

W ärm edäm mungAbdichtungSchutzvlies

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Page 31: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

31

Wärmeverluste

Wärmeverluste von STES können hoch sein

A: konventionelles Dämmmaterial: λ = 0,05 W/(m·K), Dämmstärke s = 0,2 mB: konventionelles Dämmmaterial: λ = 0,05 W/(m·K), Dämmstärke s = 2 mC: Vakuumdämmung: λ = 0,005 W/(m·K), Dämmstärke s = 0,2 m

Zeit in Tagen

Abkühlkurven eines Warmwasserspeichers mit einem Netto-Wasservolumen von 10 m3 (zylindrische Form: Ø 2 m, Höhe 3,18 m); Starttemperatur 80 °C, Außentemperatur 5 °C

Wegen des geringeren Oberflächen/Volumen-Verhältnisses kühlen große Speicher langsamer ab und werden deshalb bevorzugt. Dies führte zur Kombination von großen STES mit Nahwärmesystemen.

Page 32: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

32

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 33: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

33

Wo wird es am besten eingesetzt?

Gebäude Typ Einzelnes Gebäude Quartierslösung Neubau (bevorzugt) Bestand

Klimatische Verhältnisse

Hohe jährliche Solarstrahlungssumme & moderater Wärmebedarf im Winter ist ideal

Heizungstyp Nahwärme Niedertemperatur-

Heizung

Sou

rce:

Ask

o pr

ofes

sion

als

Page 34: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

34

STES Untergrundverhältnisse Geologie Flächenbedarf Hydrogeologie (Grundwasserleiter)

Wärmequelle Genügend Fläche für Solarkollektoren (Freiland,

Dach) Industrielle Abwärme (Temperaturniveau,

Verfügbarkeit, Entfernung) Verfügbarkeit Nahwärmenetz

Nutzungsweise Einzellast – (stabiler Betrieb) Nutzung durch unabhängige Abnehmer (komplexe

Regelung erforderlich)

Wo wird es am besten eingesetzt? - Randbedingungen

Page 35: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

35

Wo wird es am besten eingesetzt? – EINSTEIN Daten

Standort innerhalb der EUDer Wärmebedarf zur Raumheizung in der EU variiert stark von Land zu Land. Er hängt im Wesentlichen vom Gebäudebestand, der Zeit der Errichtung der Gebäude, der Bebauungsdichte und lokalen klimatischen Verhältnissen ab. Die größten Potentiale zur Errichtung von STES-Systemen in Europa sind in folgendem Bericht aufgeführt: “Classification of EU building stock according to energy demand requirements.”

Residential energy demand vs. average ambient temperature. (ACC4: Bulgaria, Romania, Turkey, Croatia; EFTA3: Iceland, Norway and Switzerland; NMS 10: new ten member states since May 2004.

(Source: ECPHEATCOOL).

Page 36: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

36

Wo wird es am besten eingesetzt? – EINSTEIN Daten

STES IntegrationEntsprechend der letzen Vorgaben der EU Länder bezüglich Energieeinsparung und Energieeffizienz werden Gebäude zukünftig voraussichtlich einen geringeren Energiebedarf aufweisen (<50kWh/m²a). Dies ermöglicht niedrigere Vorlauftemperaturen für Heizsysteme und so geringere Wärmeverluste. STES-Systeme können so besser mit energieeffizienten Heiztechniken kombiniert werden.Die Kombination von STES mit diversen Wärmeerzeugern wie z.B. Gaskesseln, Wärmepumpen, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und unterschiedlichen Verteilsystemen ist in diesem Dokument diskutiert:“Technology assessment HVAC and DHW systems in existing buildings throughout the EU”

Page 37: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

37

Wo wird es am besten eingesetzt? – EINSTEIN Daten

Planung der STES-Systeme und EINSTEIN-AnlagenZahlreiche Schritte sind zur Planung eines STES-Systems erforderlich. Technische Lösungen müssen erarbeitet und Entscheidungen getroffen werden, wie z.B. Größe des Wärmespeichers, Standort, Fläche der Solarkollektoren und Überarbeitung der Heiztechnik. Das transiente Verhalten des System, abhängig von Wetter und Last, muss im Vorfeld berechnet und vorausgesagt werden. Eine umfassende Anleitung zur Planung von STES-Systemen ist hier gegeben: “Design guidelines for STES systems in Europe”.Ein Überblick über die Ausführung der EINSTEIN-Demonstrationsanlagen findet sich hier.

Page 38: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

38

Decision Support ToolIm Rahmen des EINSTEIN-Projekts wurde ein Decision Support Tool (DST) entwickelt, um im ersten Planungsschritt den besten Entwurf bezüglich Investitions- und Betriebskosten zu analysieren. Das DST unterstützt die Anwender die besten Technologien und deren Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit der Randbedingungen zu ermitteln:

Klimatische Verhältnisse Platzbedarf Erfordernisse bezüglich Ausrüstung und Integration

(Solarkollektoren, STES, Nahwärmenetzt,Wärmepumpe, Zusatzsystem)

AnwenderzielgruppeZielgruppe des DST sind Ingenieure und Bauunternehmen mit Basiswissen bzgl. HLK-Anlagen jedoch ohne Erfahrung mit STES-Systemen.Für weitere Information bzgl. des DST bitte hier klicken.

Wo wird es am besten eingesetzt? – STES Design Tool

Page 39: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

39

DST BeschreibungDas DST besteht aus drei wesentlichen Bereichen:

Dateneingabe Berechnungsbereich Ergebnisbereich

Vergleich verschiedener FälleNeben der Auslegung von STES-Systemen erlaubt das DST dem Anwender auch, verschiedene Szenarios zu analysieren und miteinander zu vergleichen. Zentrale und dezentrale Konfigurationen können für jeden Standort, jede Systemgröße und für Neubau und Gebäudebestand analysiert werden.

Hier geht’s zum DST: DECISION SUPPORT TOOL

Wo wird es am besten eingesetzt? – STES Design Tool

Page 40: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

40

Wo wird es am besten eingesetzt? – Kombination aus Energieeffizienz und Nutzung erneuerbarer Energien

Energie-StrategieSTES-Systeme müssen Teil einer ganzheitlichen Energie-Strategie sein, um maximal effizient zu sein.Dazu gehört:

Reduktion des Energiebedarfs des bestehenden Gebäudes durch energetische Sanierung

Einbindung erneuerbarer Energie Einbindung spezieller Lösungen wie STES

Diese Entscheidungen müssen auf Basis individueller Gegebenheiten getroffen werden:

Klima Kosten Gebäudetyp

Um die Kostengünstigste Kombination verschiedenerMaßnahmen zu ermitteln wurde ein Evaluation Tool erstellt.

Page 41: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

41

Wo wird es am besten eingesetzt? – Evaluation Tool

Konfiguration des Evaluation Tools

1.Definition des

Gebäudes•Auswahl der Klimaregion•Auswahl des Gebäudetyps•Oberfläche des Gebäudes

2. Angestrebte Energieein-

sparung•Wahl der Höhe der Energieeinsparung

3. Berechnung kostengüns-tigste Lösung

•Abfrafge der Datenbank mit Lösungen•Vergleich mit den optimalen Fällen, welche die ausgewählte Energieeinsparung ermöglichen •Identifikation der kostengünstigsten Kombination passiver und aktiver Maßnahmen (inkl. STES)

4. Ergebnisse

•Beste Kombination ausgewählt•Primärenergieeinsparung. (kWh/a)•Erforderliches Investment (€)

Page 42: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

42

EVALUATION TOOL – Die kostengünstigste Lösung

Software Model zur Beurteilung

des energetischen

Verhaltens bestehender

Gebäude

Passive Sanierungs-maßnahmenBeitrag des

STES zur Kosteneffizienz

Evaluation Tool für

wirtschaftlichste Rahmenbe-dingungen bei der Sanierung

Decision Tool zur Auslegung und Bewertung des

STES Hauptziel:“Entwicklung eines methodischen Evaluation Tools zur wirtschaftlichsten globalen energetischen Vorgehensweise bei der Gebäudesanierung”

EVALUATION TOOL

Page 43: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

43

Wo wird es am besten eingesetzt? – Einfamilienhaus

EFH: Einfamilienhaus

EFH 84,5 m2

Page 44: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

44

Wo wird es am besten eingesetzt? – Mehrfamilienhaus

MFH: Mehrfamilienhaus

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

22.00

24.00

0.00

50.00

100.00

DHW MFH

h

litre

s of

wat

er

cons

umpt

ion

MFH 676 m2

Page 45: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

45

Wo wird es am besten eingesetzt? – Muster-Ergebnisse

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300

Ratio Total result per period/Primary energy consumed vs Primary energy

% Primary savings

€ sa

ving

/kW

h co

nsum

ed

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%100%0

20406080

100120140

Ratio Investment / Primary energy savings vs % Primary energy reduction

best restults (Invest aproach)best results (20 y exploitation aproach)

% Primary savings

Kurve der besten Ergebnisse(Pareto distribution)

Page 46: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

46

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 47: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Wie viel kostet es?

47

Die Kosten und finanziellen Vorteile saisonaler Wärmespeicher variieren stark.

Unterschiedlichkeiten bestehen z.B. bei: Größe Klima (Solarstrahlung, Umgebungstemperatur) Wärmebedarf STES-Typ Einbindung in Nah- oder Fernwärme Finanzen: Inflationsrate, Kostensteigerung

herkömmlicher Brennstoffe, Rendite, etc.

Page 48: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Wie viel kostet es? – Saisonale Wärmespeicher

Kostenbeispiele für saisonale WärmespeicherEs gibt verschiedene Möglichkeiten, STES-Systeme finanziell zu bewerten.Das Diagramm zeigt Kosten von realisierten saisonalen Wärmespeichern unterschiedlicher Größe. Die relativen Investitionskosten sinken mit zunehmender Größe.Die Kosten der EINSTEIN-Speicher für kleine und große Systeme sind in der Tabelle dargestellt.

48

Site STES Size {m3} Cost {€} Cost/m3

{€}Swede

n 23 16225 705.4

Poland 800Spain 180

Source: Solites

Page 49: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Passivhaus mit solarer Trinkwasser-erwärmung und Heizung mit STES

Kürzeste Amortisation war für solare Trinkwassererwärmung und Heizung ohne STES (geringste Kosten nach 16 Jahren und 24 Jahren nach Modernisierung).

Mit STES wurden die geringsten Kosten nach 33 Jahren erreicht.

Es muss berücksichtigt werden, dass der STES als elementare Komponente im System benötigt wird, um technische Probleme mit Stagnation zu vermeiden.

49

Source: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016

Wie viel kostet es? – Wärmegestehungskosten

Beispiel für eine STES-Installation für ein einzelnes Haus

Die gezeigten Kosten beinhalten das System, Betriebskosten und Brennstoffkosten und berücksichtigen Inflation und Net Present Value.

Page 50: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

50

Description Multiunit development

Number of units 10 (4 commercial, 6 residential)

Total floor area {m2} 381 plus 390 = 781 Total

Solar Array {m2} 50

Diurnal Store {m3} 3.3

STES Size {m3} 23Space heating energy demand {kWh}

53,422

DHW energy demand {kWh} 7,417Total NPV cost over 40 years {€} 405,415Payback peiod {Years} 17Saving compared with non Solar STES 27%

Gebäude wurde auf Passivhausstandard saniert

Solarer Heizsystem mit STES Amortisation nach 17 Jahren

Wie viel kostet es?

Beispiel einer kleinen STES-Installation10 Wohneinheiten mit solarer Trinkwassererwärmung und Heizung mit STES in Lysekil, Schweden

Page 51: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

51

Die Gesamtkosten für Warmwasser und Heizung sind rechts gezeigt. Die Kosten beinhalten das System, Betriebskosten und Brennstoffkosten und berücksichtigen Inflation und Net Present Value.

Die Kosten für Fernwärme (€514,492) sind höher als die Kosten für solares Heizen mit STES mit Fernwärme als Back-Up (€405,415) über die 40 betrachteten Jahre.

Detaillierte Analyse ist hier verfügbar: (insert link to Del 7.5)

Wie viel kostet es?

Beispiel einer kleinen STES-Installation10 Wohneinheiten mit solarer Trinkwassererwärmung und Heizung mit STES in Lysekil, Schweden

Page 52: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

52

Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES? Geschichte der STES Wie funktioniert es? Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie Wie viel Energie kann gespeichert werden? Wo wird es am besten eingesetzt? Wie viel kostet es? Fallstudien

Page 53: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Brennwert-KesselGas

H eizzentra leF lachkollektoren

W ärm enetz

So larne tzSaisonalerW ärm espeicher

W ärm eüber-gabestation

Fallstudien

Page 54: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

54

STES unter dem Haus 1. Europäisches 100% Solar Haus Oberburg, Schweiz In Betrieb seit Januar 1990

Fallstudien

Sou

rce:

Jen

ni E

nerg

iete

chni

k

Page 55: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

55

Oberburger Sonnenhaus Erstes Mehrfamilienhaus das vollständig mit

Solarenergie beheizt wird Oberburg, Schweiz 276m² Solarkollektoren 205m³ Wärmespeicher

Fallstudien

Sou

rce:

Jen

ni E

nerg

iete

chni

k

Page 56: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

3.000 m² Flachkoll. 4500 m³ Warmwasser-

speicher

Hamburg (1996)

Friedrichshafen (1996)

Neckarsulm (1997) Steinfurt (1998)

Rostock (2000) Hannover (2000)

5.900 m² Flachkoll. 63.300 m³ BTES

1.000 m² Solar-roof 20.000 m³ ATES

4.050 m² Flachkoll. 12.000 m³ Warmwasser-

speicher

510 m² Flachkoll. 1.500 m³ Kies/Wasser-

Erdbecken-speicher

1.350 m² Flachkoll. 2.750 m³ Warmwasser-

speicher

: USTUTTFallstudien

Page 57: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

Chemnitz, 1. Phase (2000)

München (2007)

Eggenstein (2008)

Attenkirchen (2002)

Crailsheim (2007)

540 m² Vakuumröhre

n 8.000 m³ Kies/Wasser-

Erdbecken-speicher

2.900 m² Flachkoll. 5.700 m³ Warmwasser-

speicher

1.600 m² Flachkoll. 4.500 m³ Kies/Wasser-

Erdbecken-speicher

800 m² Solar-Roof 9.850 m³ Warmwasser-

speicher &Erdsonden

7.500 m² Flachkoll. 37.500 m³ BTES

Quelle: USTUTTFallstudien

Page 58: 1 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder (wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen,

58

Seasonal Thermal Energy Storage (STES)for EDUCATORS

Saisonale thermische Energiespeicherung (STES) für Ausbilder

(wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen, öffentliche Verwaltung, etc.)

Miguel RamirezDr Shane ColcloughProf Neil J Hewitt

Deutsche Version: Dr.-Ing. Dan Bauer