WinterSun

Weiterentwicklung innovativer Technologien zur solaren Nahwärme und saisonalen Wärmespeicherung

Kurzbeschreibung

Kostengünstige Solarwärme mit solaren Deckungsanteilen deutlich über 50 % kann nur durch große thermische Solaranlagen, zumeist in Verbindung mit Nahwärmenetzen, bereit gestellt werden. Die saisonale Speicherung der Solarwärme kann dann energetisch effizient und kostengünstig in großvolumigen Wärmespeichern erfolgen. Ziel des Forschungsprojektes WinterSun war daher die Weiterentwicklung innovativer Technologien für solare Nahwärmeversorgungen und solarthermische Großanlagen in Kombination mit saisonaler Wärmespeicherung. Die solaren Nahwärmeanlagen in Crailsheim und Eggenstein wurden dabei wissenschaftlich-technisch begleitet und der Anlagenbetrieb u. a. anhand von Systemsimulationen optimiert.

Für die vollständige Deckung des Wärmebedarfs wird beim Einsatz von Anlagen mit solaren Deckungsanteilen unter 100 % eine zusätzliche Wärmequelle benötigt. In Zeiten eines immer „grüneren“ Strommixes und der immer unattraktiver werdenden fossilen Wärmebereitstellung werden hierzu verstärkt elektromotorisch angetriebene Kompressionswärmepumpen eingesetzt. Diese Kombination bietet Synergieeffekte bezüglich Kollektorwirkungsgrad, Speichernutzungsgrad und Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe. Sie kann jedoch auch zu primärenergetischen und wirtschaftlichen Nachteilen führen. Aus diesem Grund war ein weiterer Schwerpunkt dieses Vorhabens die grundlegende Untersuchung des Einsatzes von Wärmepumpen in solaren Nahwärmesystemen. Auf Basis von Messdaten und Simulationen wurden spezielle Anlagenkonzepte entwickelt, welche die spezifischen Einsatzbedingungen der Wärmepumpen berücksichtigen. Es wurde untersucht, welcher Typ von Wärmepumpe für welches Konzept am besten geeignet ist und wie die Wärmepumpe hydraulisch und regelungstechnisch optimal einzubinden ist.

Die Entwicklungen der letzten Jahre hinsichtlich der Wärmedämmung erdvergrabener Wärmespeicher führten zu Wärmedämm-Verbundsystemen, die auf kostengünstigen, schüttfähigen Wärmedämmstoffen wie Schaumglasschotter basieren. Neueste Untersuchungen zeigen jedoch deutliche Defizite dieser Wärmedämm-Verbundsysteme hinsichtlich der Dämmwirkung aufgrund von Konvektion in den Schüttungen auf, siehe Abbildung unten. Ein weiteres wichtiges Element dieses Vorhabens waren daher grundlegende Forschungsarbeiten unter Verwendung eines Laborversuchsstands, um die Wissenslücken bezüglich makroskopischer Konvektion und Feuchtetransport (Heatpipe-Effekt) in kostengünstigen, schüttfähigen Dämmstoffen zu schließen.

Darauf aufbauend wurden geeignete Wärmedämm-Verbundsysteme für erdvergrabene Wärmespeicher entwickelt. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf modularen Systemen, die für einen Betrieb mit dauerhaftem Unterdruck (Vakuum) geeignet sind. Es wird erwartet, dass hierdurch zahlreiche, bisher für den Anwendungsfall unbeachtete bzw. als ungeeignet eingestufte Dämmstoffe eingesetzt werden können, die zu einem deutlich verbesserten Kosten/Nutzen-Verhältnis führen.

Eine theoretische Machbarkeitsstudie zur Technologieentwicklung saisonaler Wärmespeicher mit 50 bis 1000 m³ rundete das Forschungsvorhaben ab.
 

Laufzeit

01/2013 - 09/2015

 

Danksagung

Das Projekt "WinterSun" wurde durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch den Projektträger Jülich unter dem Förderkennzeichen 0325998A gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung und übernehmen die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung.

Kontakt

Dipl.-Ing. Dominik Bestenlehner
 

Dipl.-Ing. Dominik Bestenlehner

Academic employee

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