Im Zuge der Arbeit sollen verschiedene Methoden zur Speicherung thermischer Energie diskutiert und analysiert werden. Der Fokus liegt in den Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie in Hinblick auf den kommunalen Wohnbau, insbesondere großvolumiger Wohnhausanlagen. Es sollen Lösungen für Bestandsobjekte im dicht verbauten, städtischen Raum betrachtet werden, welche im Zuge von Sanierungen eingeplant bzw. realisiert werden können.
Erneuerbare Energien sind zwar in hohem Maß vorhanden, allerdings nicht immer dann, wenn sie benötigt werden. Um die fossile bzw. konventionelle Energieversorgung nicht nur zu entlasten, sondern drastisch zu reduzieren, ist der Energiespeicher der Schlüssel zur Energiewende.
Die thermische Speicherung ist neben dem bekannten Heißwasserspeicher auch mit anderen Medien möglich. Für die Speicherung großer Wärmemengen kann die Erde als Speichermedium dienen, wie ein Aquiferspeicher oder Erdsondenspeicher. In Kanada wurde ein ganzes Dorf, genannt „Drake Landing“, mit thermischen Solarkollektoren und einem 42.875 m3 großen Erdsondenspeicher 2007 erbaut und damit eine energieautarke Wärmeversorgung realisiert. Die große Masse des Erdspeichers, versorgt durch Solarkollektoren, benötigte einige Jahre um eine Kernspeichertemperatur von 80°C zu erreichen.
Seit 2013 wird dieses Dorf, bestehend aus 52 Einfamilienhäuser, autark mit Wärme für Warmwasser und Heizung versorgt. Zu untersuchen ist, ob ein saisonaler Wärmespeicher im dichtverbauten kommunalen Wohnbau im Zuge von Generalsanierungen sinnvoll einzusetzen ist. Nach Auswahl eines Wohnblocks mit 60 Wohneinheiten mussten wegen Platzmangels und vollflächiger Tiefgarage unter den Wohnblocks die Erdspeichervarianten ausgeschieden werden. Eingesetzt kann ein Heißwasserspeicher werden. Um realistische Wärmeeinspeisewerte zu erhalten, wird von einer 500 m² großen Solarkollektoranlage, am Dach des Wohnblocks, die Wärme generiert.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Wirkungsweise Photosynthese
2. Ziel des Projektes
3. Grundlagen
3.1. Typologie der Energiespeicher
3.2. Thermische Energiespeicher
3.3. Thermodynamik – Reversibilität
3.3.1. Relevante Größen der Thermodynamik
3.3.2. Zustandsformen
3.3.3. Erster Hauptsatz der Wärmelehre
3.3.4. Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre
3.3.5. Reversible und irreversible Vorgänge
3.3.6. Entropie
4. Speichertechnologien für thermischer Energie
4.1. Sensible Wärmespeicherung
4.2. Latente Wärmespeicherung
4.3. Thermochemische Wärmespeicherung
5. Wärmedämmung
6. Speichermedien
7. Bauformen sensibler Speicher
7.1. Speicher mit festem Medium
7.1.1. Erdsonden
7.1.2. Erdkollektor
7.1.3. Fundamentspeicher
7.1.4. Thermisch aktive Bauteile
7.1.5. Speicherheizungen
7.2. Speicher mit flüssigen Medien
7.2.1. Warmwasserspeicher
7.2.2. Speicher im Hochtemperaturbereich
7.2.3. Aquiferspeicher
8. Betrachtung bereits realisierter Projekte
8.1. Wärmespeicher Theiss, EVN
8.2. Hochdruck Wärmespeicher Simmering
8.3. Drake Landing als Beispiel einer fast autarken Wärmeversorgung
8.3.1. Generierung der solaren Energie
8.3.2. Energiezentrum
8.3.3. Erdsondenspeicher
8.3.4. Fernwärmenetz
8.3.5. Energieeffiziente Häuser
8.3.6. Messwerte
9. Implementierung von Wärmespeichern im kommunalen Wohnbau bei Großsanierungen
9.1. Auswahl einer Wohnhausanlage
9.1.1. Infrastrukturelle und geologische Voraussetzungen
9.1.2. Einflussfaktoren im kommunalen Wohnbau
9.1.3. Förderungen
9.1.4. Rechtliche Rahmenbedingungen
9.1.5. Auswahl des thermischen Energiespeichers
10. Schlussfolgerung
10.1. Kosten / Nutzenanalyse
10.1.1. Betrachtung der reinen Speicherkosten
11. Zusammenfassung
12. Ausblick
13. Literaturverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Sinnhaftigkeit und technische Umsetzbarkeit der Implementierung von saisonalen thermischen Energiespeichern im Zuge von Generalsanierungen bei großvolumigen Wohnbauten im dicht verbauten städtischen Raum, wobei insbesondere die Herausforderungen bei der Integration in Bestandsobjekte und der ökonomische Nutzen analysiert werden.
- Grundlagen der Thermodynamik und Speichermedien
- Analyse verschiedener Speichertechnologien (sensibel, latent, thermochemisch)
- Untersuchung realisierter Speicherprojekte (z. B. Drake Landing, Kraftwerk Theiss)
- Bewertung von Sanierungsmaßnahmen im kommunalen Wohnbau
- Kosten-Nutzen-Analyse und Wirtschaftlichkeitsberechnungen
Auszug aus dem Buch
3.2. Thermische Energiespeicher
Das wichtigste Charakteristikum eines thermischen Energiespeichers ist die Temperatur. Je nach Temperaturbereich, in welchem der Lade- und Entladevorgang durchgeführt wird, bestimmt sich der grundlegende Einsatzbereich. Hochtemperatur-Speicherungen bewegen sich zwischen 300 und 600°C. Verwendung findet die Hochtemperatur-Speicherung in Verbindung mit erneuerbaren Energien vorrangig bei solarthermischen Kraftwerken. Um eine kontinuierliche Stromversorgung gewährleisten zu können, wird zum Beispiel bei solarer Energieerzeugung tagsüber neben der Stromproduktion ein Speicher mit flüssigem Salz als Medium geladen, bei Verringerung der solaren Strahlung oder Ausfall (in der Nacht) wird die gespeicherte Wärme abgerufen, der Speicher wieder entladen.
Im Temperaturbereich von 100 bis 250°C wird die gespeicherte Wärme meist für die Bereitstellung von Dampf bei industriellen Prozessabläufen verwendet. Zwischen 20 und 100°C ist der typische Einsatzbereich von Speichern für die Beheizung von Gebäuden und die Bereitstellung von Warmwasser. Fußbodenheizungen kommen mit einer Temperatur von 25-30°C aus, klassische Radiatoren benötigen bis zu 90°C. Die Temperatur des Warmwassers sollte aus gesundheitlichen Gründen immer über 60°C betragen. Problem des Legionellen-Befalls bei tieferen Temperaturen.
Thermische Energiespeicher können genauso zum Kühlen eingesetzt werden. Der klassische Kühlbereich bewegt sich zwischen 5 und 18°C für Lebensmittel, Gefriergut benötigt gleichbleibend -18°C.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal thermischer Energiespeicher ist die benötigte Dauer des Speicherns, dies ist der zu überbrückende Zeitraum zwischen Laden und Entladen. Kurzzeitspeicher werden im Rahmen von Stunden bis wenigen Tagen verwendet, dagegen können Langzeitspeicher über Wochen bis zu einem Jahr speichern.
Abhängig vom Standort des Speichers kann noch von zentral bzw. dezentral gesprochen werden. Ein Wärmespeicher bei einem großen solarthermischen Kraftwerk ist als zentral anzusehen, je näher sich ein Speicher beim Verbraucher befindet, umso eher wird er als dezentraler Speicher bezeichnet. Typisches Beispiel für einen dezentralen Speicher ist der Pufferspeicher einer Heizung in einem Einfamilienhaus. Weiters können neben stationären Energiespeichern auch mobile Speichereinheiten, zum Beispiel integriert in Container, verwendet werden, wenn am Standort der Beladung keine Verwertung der Energie möglich ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die fundamentale Rolle von Energiespeichern für zukünftige Energiesysteme und führt die Photosynthese als natürlichen, historischen Speicherprozess ein.
2. Ziel des Projektes: Definiert das Ziel, Methoden der thermischen Energiespeicherung für den großvolumigen kommunalen Wohnbau bei Sanierungen zu analysieren.
3. Grundlagen: Erläutert physikalische Definitionen von Energiespeichern sowie relevante thermodynamische Größen wie Arbeit, Leistung und Entropie.
4. Speichertechnologien für thermischer Energie: Unterscheidet zwischen sensibler, latenter und thermochemischer Wärmespeicherung hinsichtlich ihrer Funktionsweise und Energiedichte.
5. Wärmedämmung: Behandelt die Bedeutung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) zur Minimierung von Energieverlusten bei Speichern.
6. Speichermedien: Analysiert verschiedene Medien wie Wasser, Öl oder Feststoffe basierend auf Wärmekapazität, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit.
7. Bauformen sensibler Speicher: Stellt technische Varianten vor, von Erdsonden und Erdkollektoren bis hin zu Fundamentspeichern und aktivierten Bauteilen.
8. Betrachtung bereits realisierter Projekte: Analysiert Praxisbeispiele wie die Kraftwerke Theiss und Simmering sowie das autarke kanadische Projekt "Drake Landing".
9. Implementierung von Wärmespeichern im kommunalen Wohnbau bei Großsanierungen: Untersucht die Auswahl einer spezifischen Wohnhausanlage und die praktischen Hürden wie Geologie, Recht und Anwohnerinteressen.
10. Schlussfolgerung: Zieht Bilanz aus der Kosten-Nutzen-Analyse und bewertet die wirtschaftliche Amortisation von saisonalen Speichern in Bestandsobjekten.
11. Zusammenfassung: Fasst die zentralen Erkenntnisse über die technische und ökonomische Machbarkeit saisonaler Wärmespeicher im dicht verbauten Wohnbau zusammen.
12. Ausblick: Erörtert zukünftige Potenziale für Speichertechnologien bei abweichenden Rahmenbedingungen und geologischen Voraussetzungen.
13. Literaturverzeichnis: Listet die verwendeten Quellen und Referenzen der Arbeit auf.
Schlüsselwörter
Energiespeicher, Wärmespeicherung, Thermische Energiespeicher, Großvolumiger Wohnbau, Generalsanierung, Solarkollektoren, Erdsondenspeicher, Fernwärme, Thermodynamik, Wärmekapazität, Effizienz, Wirtschaftlichkeit, Saisonspeicher, Kurzzeitspeicher, Energieautarkie.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Master Thesis grundlegend?
Die Arbeit untersucht, ob und unter welchen Bedingungen saisonale thermische Energiespeicher sinnvoll im dicht verbauten städtischen Wohnbau bei umfassenden Sanierungsmaßnahmen eingesetzt werden können.
Welche zentralen Themenfelder deckt die Untersuchung ab?
Zentral sind die physikalischen Grundlagen der Wärmespeicherung, die Analyse unterschiedlicher Speichertechnologien (sensibel, latent, chemisch) sowie eine praxisnahe Kosten-Nutzen-Analyse für Wohnhausanlagen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Beantwortung der Forschungsfrage, ob die nachträgliche Implementierung von saisonalen Wärmespeichern im kommunalen Wohnbau im Zuge von Sanierungen ökonomisch und technisch sinnvoll ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert theoretische Analysen der Thermodynamik mit einer Fallstudie an einer spezifischen Wohnhausanlage, inklusive technischer Auslegung des Speichervolumens und einer detaillierten Amortisationsberechnung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden sowohl theoretische Speicherkonzepte (Medien, Bauformen) als auch bereits realisierte Großprojekte analysiert, bevor eine detaillierte Simulation für ein konkretes Wiener Wohngebäude durchgeführt wird.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit am besten?
Wärmespeicherung, saisonale Speicher, kommunaler Wohnbau, Generalsanierung, Wirtschaftlichkeitsanalyse und thermische Energie sind die zentralen Begriffe.
Warum ist die Integration eines Speichers in das Gebäude oft schwierig?
Aufgrund der Dimensionen (wie z.B. 1.289 m³ Volumen) und der statischen Anforderungen ist eine Integration in bestehende Gebäude meist unmöglich, weshalb oft ein Platzbedarf neben dem Gebäude entsteht.
Welche Rolle spielt die Tiefgarage bei der Standortwahl?
Bei der untersuchten Anlage verhindert die vollflächige Unterbauung durch eine Tiefgarage großflächige Erdspeicher-Varianten, da Bohrungen die Statik gefährden könnten.
Wie bewertet der Autor die wirtschaftliche Amortisation?
Die Amortisationsdauern sind mit 36 bis 58 Jahren sehr lang, was den nachträglichen Einbau in den untersuchten Wohnbauten aktuell als nicht zielführend einstuft.
- Quote paper
- Wolfgang Kopp (Author), 2016, Sind thermische Energiespeicher im großvolumigen Wohnbau im Zuge von Generalsanierungen sinnvoll einzusetzen?, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/355196
