Effiziente Wärmespeicherung - besonders langzeitige - stellt die Schlüsseltechnologie für eine zukünftige vollsolare Wärmeversorgung dar. Bis heute gibt es keine kompakte saisonale Lösung mit hoher Energiedichte. Bestehende Techniken sind meist mit hohem Aufwand und geringem Wirkungsgrad verbunden. Wo besteht also Innovationsbedarf? Können wir in Zukunft mit mehr “erneuerbarer Wärme” rechnen?
Die vorliegende Arbeit gibt einen Gesamtüberblick der derzeitig am Markt etablierten Möglichkeiten zur langfristigen Wärmespeicherung und evaluiert diese nach physikalischen Parametern. Hervorgehoben wird besonders jener Bereich, der erhöhten Bedarf an Wärmespeichern aufweist: Die Raumwärme für Haushalte. Für diesen Sektor werden innovative Lösungsansätze aus der Physik untersucht, sowie eigene Berechnungen angestellt. In diesem Zusammenhang wird ein Modell der Wiener Flaktürme als saisonale Wärmespeicher, gekoppelt mit solarthermischen Anlagen und der Fernwärme, vorgestellt.
Die Methodik der Arbeit umfasst Literaturrecherche und -analyse, aber auch eigene Berechnungen und Ergebnissynthese. In Zukunft sinkt die Nachfrage nach Raum- wärme durch fortschreitende Gebäudesanierung, gleichzeitig steigt aber der Strombedarf. Das hat zur Folge, dass vermehrt Abwärme in Kraftwerken frei wird, welche sich dann nicht mehr verkaufen lässt. Moderne thermische Speichersysteme auf Basis von Solarthermie könnten beispielsweise neue Möglichkeiten zur Kraft-Wärme-Kopplung Einsatzoptimierung schaffen.
Saisonale Heißwasserspeicher sind bereits erfolgreich durch Pilotanlagen mit solaren Deckungsanteilen von bis zu rund 65% demonstriert worden, in der Entwicklung stecken noch die Alternativen mit höheren Energiedichten, die nicht auf Basis von Wasser als Medium arbeiten. Besonders Latentwärmespeicher stellen den nächsten Fortschritt bei Saisonspeichern in Aussicht, diese sind bereits Thema zahlreicher Untersuchungen und Publikationen. So auch thermochemische Systeme, welche jedoch noch an zu hohen Investitionskosten und geringem Wirkungsgrad scheitern.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Kurzfassung/Abstract
1.2. Motivation und Aufbau der Arbeit
2. Physikalische Grundlagen
2.1. Größen und Begrifflichkeiten
2.2. Thermodynamik und thermodynamische Systeme
3. Physikalische Mechanismen zur Wärmespeicherung
3.1. Wasser als Medium - Eine Übersicht
3.2. Theoretische Grundlagen und Modelle
3.2.1. Allgemeine Energieverluste und Effizienz
3.2.2. Speicherung sensibler Wärme in gesättigten Fluiden
3.2.3. Speicherung über Latentwärme
3.2.4. Andere thermische Speichermethoden
4. Etablierte Systeme und Pilotanlagen
4.1. Sensible Wärmespeicher
4.1.1. Pilotprojekte zu sensiblen Saisonspeichern
4.2. Latentwärmespeicher
4.2.1 Etablierte Anwendungen zu PCMs
4.3. Thermochemische Speicher
5. Abdeckung des Energiebedarfs
5.1. Der Energiebedarf Europas und Österreichs bis 2050
5.2. Abdeckung des Bedarfs durch etablierte Wärmespeicher
5.3. Modell Wien: Flaktürme als saisonale Speicher
6. Schlussfolgerungen
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht das Potenzial innovativer physikalischer Lösungsansätze zur langfristigen Speicherung thermischer Energie, insbesondere zur Deckung des Raumwärmebedarfs in Haushalten, unter der zentralen Fragestellung, wie saisonale Wärmespeicher effizient in zukünftige erneuerbare Energienetze integriert werden können.
- Grundlagen der Thermodynamik und Materialphysik
- Methoden und physikalische Mechanismen der Wärmespeicherung
- Analyse etablierter Pilotanlagen und saisonaler Systeme
- Modellentwicklung zur Nutzung von Wiener Flaktürmen als saisonale Speicher
Auszug aus dem Buch
1.1. Kurzfassung/Abstract
Effiziente Wärmespeicherung - besonders langzeitige - stellt die Schlüsseltechnologie für eine zukünftige vollsolare Wärmeversorgung dar. Bis heute gibt es keine kompakte saisonale Lösung mit hoher Energiedichte. Bestehende Techniken sind meist mit hohem Aufwand und geringem Wirkungsgrad verbunden. Wo besteht also Innovationsbedarf? Können wir in Zukunft mit mehr “erneuerbarer Wärme” rechnen?
Die vorliegende Arbeit gibt einen Gesamtüberblick der derzeitig am Markt etablierten Möglichkeiten zur langfristigen Wärmespeicherung und evaluiert diese nach physikalischen Parametern. Hervorgehoben wird besonders jener Bereich, der erhöhten Bedarf an Wärmespeichern aufweist: Die Raumwärme für Haushalte. Für diesen Sektor werden innovative Lösungsansätze aus der Physik untersucht, sowie eigene Berechnungen angestellt. In diesem Zusammenhang wird ein Modell der Wiener Flaktürme als saisonale Wärmespeicher, gekoppelt mit solarthermischen Anlagen und der Fernwärme, vorgestellt.
Die Methodik der Arbeit umfasst Literaturrecherche und -analyse, aber auch eigene Berechnungen und Ergebnissynthese. In Zukunft sinkt die Nachfrage nach Raumwärme durch fortschreitende Gebäudesanierung, gleichzeitig steigt aber der Strombedarf. Das hat zur Folge, dass vermehrt Abwärme in Kraftwerken frei wird, welche sich dann nicht mehr verkaufen lässt. Moderne thermische Speichersysteme auf Basis von Solarthermie könnten beispielsweise neue Möglichkeiten zur Kraft-Wärme-Kopplung Einsatzoptimierung schaffen.
Saisonale Heißwasserspeicher sind bereits erfolgreich durch Pilotanlagen mit solaren Deckungsanteilen von bis zu rund 65% demonstriert worden, in der Entwicklung stecken noch die Alternativen mit höheren Energiedichten, die nicht auf Basis von Wasser als Medium arbeiten. Besonders Latentwärmespeicher stellen den nächsten Fortschritt bei Saisonspeichern in Aussicht, diese sind bereits Thema zahlreicher Untersuchungen und Publikationen. So auch thermochemische Systeme, welche jedoch noch an zu hohen Investitionskosten und geringem Wirkungsgrad scheitern.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Arbeit führt in die Relevanz der Wärmespeicherung ein und definiert die Motivation zur Untersuchung neuer Speichertechnologien unter Berücksichtigung des zukünftigen Energiebedarfs.
2. Physikalische Grundlagen: In diesem Kapitel werden die thermodynamischen Gesetze und physikalischen Größen wie Exergie, Entropie und Wärmeleitfähigkeit als Basis für Speichersysteme erarbeitet.
3. Physikalische Mechanismen zur Wärmespeicherung: Hier werden die theoretischen Modelle der Wärmespeicherung untersucht, inklusive der Eigenschaften von Wasser als Speichermedium sowie sensibler, latenter und thermochemischer Ansätze.
4. Etablierte Systeme und Pilotanlagen: Das Kapitel bietet einen Überblick über marktgängige saisonale Speichertechnologien und analysiert Erfahrungswerte aus verschiedenen Pilotprojekten.
5. Abdeckung des Energiebedarfs: Die Arbeit analysiert den Energiebedarf in Europa und Österreich und untersucht das Potenzial für Solarthermie sowie das Modell der Wiener Flaktürme.
6. Schlussfolgerungen: Das Fazit fasst den aktuellen Stand der Speichertechnik zusammen und bewertet die wirtschaftliche und technische Umsetzbarkeit der untersuchten Konzepte.
Schlüsselwörter
Wärmespeicherung, Thermodynamik, Solarthermie, Saisonalspeicher, Latentwärmespeicher, Phasenwechselmaterialien, PCM, Thermochemische Speicher, Flaktürme, Energieeffizienz, Raumwärme, Energiedichte, Carnot-Wirkungsgrad, Erdwärmesonden, Aquiferspeicher.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit analysiert physikalische und technische Möglichkeiten zur langfristigen (saisonalen) Speicherung von thermischer Energie, um eine zukünftige, stärker solar getriebene Wärmeversorgung zu ermöglichen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die physikalischen Grundlagen der Thermodynamik, die verschiedenen Kategorien von Wärmespeichern (sensibel, latent, thermochemisch) sowie die Integration in moderne Fernwärmenetze.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, den aktuellen Stand der saisonalen Wärmespeicherung zu evaluieren und innovative Konzepte wie die Nutzung leerstehender Wiener Flaktürme als Speicher technisch und theoretisch zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Methodik basiert auf einer fundierten Literaturrecherche und -analyse, die durch eigene theoretische Berechnungen und die Synthese von Ergebnissen aus existierenden Pilotanlagen ergänzt wird.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die physikalischen Speichermechanismen, die Vorstellung etablierter Pilotanlagen und eine detaillierte Bedarfs- und Potenzialanalyse für den Standort Wien.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Wärmespeicherung, Saisonalspeicher, Latentwärmespeicher (PCM), Thermodynamik sowie die spezifische Anwendung solarthermischer Systeme.
Warum wird Wasser als Speichermedium so ausführlich diskutiert?
Wasser ist aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität, Verfügbarkeit und Umweltverträglichkeit das derzeit am besten etablierte Speichermedium, dient jedoch auch als Referenzpunkt für weiterentwickelte Technologien.
Was ist die Besonderheit der untersuchten Flaktürme in Wien?
Die Flaktürme bieten als leerstehende, massive Bauwerke ein enormes Volumen für saisonale Heißwasserspeicher, die bei einer Sanierung zur zentralen Wärmespeicherung in der Stadt beitragen könnten.
Welche Rolle spielen Latentwärmespeicher (PCMs) in der Arbeit?
PCMs werden als aussichtsreiche Technologie mit höherer Energiedichte gegenüber sensiblen Speichern diskutiert, wobei insbesondere ihre Fähigkeit zur Temperaturglättung und Speicherung bei konstanter Temperatur hervorgehoben wird.
Welche Limitationen sieht der Autor bei den untersuchten Modellen?
Die Arbeit identifiziert insbesondere die thermische Isolierung, hohe Investitionskosten und die Notwendigkeit der Netzintegration als kritische Hürden für die großflächige Implementierung neuer Speicherkonzepte.
- Citation du texte
- Sebastian Leitner (Auteur), 2013, Innovative Thermal Energy Storage als neuartige Wärmespeicher, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/209283
