In einer Großstadt Platz für saisonale Wärmespeicher an der Oberfläche zu finden (der Untergrund ist oft ungeeignet durch verzweigte Netze von etwa Gas- und elektrischen Leitungen, U-Bahn etc.) ist unter verschiedenen Gesichtspunkten kaum realisierbar und vor allem teuer. Erst ab einem Speichervolumen von rund 1000m3 sind die Oberflächenverluste gering im Verhältnis zur Speicherkapazität. Bei Verdoppelung des Speichervolumens steigt der Wärmeverlust bei kompakten Bauformen um circa 30% an, weil die Oberfläche eines Speichers unterproportional mit dem Volumen ansteigt.
Der Vergleich mit Pilotanlagen in Deutschland, die über Jahre hinweg bereits gute Ergebnisse liefern und ständig verbessert werden zeigt, in welchen Dimensionen es möglich ist begrenzte Einzugsgebiete mit Wärme zu versorgen. Bei fast allen größeren Pilotprojekten (ab 25.000m2 Versorgungswohnfläche) ist ein solarer Deckungsanteil von 50% möglich, der Rest wird z.B. über Fernwärme abgedeckt. Das folgende Modell basiert auf einem saisonalen Heißwasserspeicher, der in einem leerstehenden Flakturm untergebracht ist. Etwaige Sanierungs- und Konstruktionsdetails werden hier nicht behandelt. Im Folgenden werden zwei Wiener Flakturmpaare betrachtet, wobei nur drei dieser vier leer stehen. Jeweils ein Flakturm sei der “Kollektorturm” (mit Solarthermie am Dach und der Fassade) und der andere der “Speicherturm” (mit dem Heißwasserspeicher im Inneren). Der “Speicherturm” übernimmt aber zusätzlich auch eine Kollektorfunktion.
Der Abschnitt meiner Diplomarbeit “Innovative Wärmespeicher”
(Uni Wien, Physik Institut - inhaltliche Kooperation mit TU Wien, EEG Institut)
“Flaktürme als saisonale Wärmespeicher” gewann
am 21. November 2012 den Wettbewerb “EnergieNeuDenken”
des “bm:vit” in Wien
“ Energie ist Zukunft! Das Leitmotiv der Veranstaltungsreihe EnergieNeuDenken ist die brisante Frage: Welche Energie sollen und werden wir k ü nftig wie nutzen, um die Klimaerwärmung bei maximal 2 ° C zu stoppen? Der Weg hin zur klimaverträglichen Gesellschaft bedarf eines Paradigmenwechsels. Erste Schritte von der fossilen in die postfossile Gesellschaft wurden bereits gemacht. Technologische L ö sungen sind vorhanden und werden entwickelt. Durch die B ü ndelung aller Kräfte und Interessen wird eine Wende zur Nachhaltigkeit m ö glich.Der Klima- und Energiefonds in Kooperation mit dem Bundesministerium f ü r Verkehr, Innovation und Technologie laden ein, gemeinsam ü ber die Zukunft von Energieerzeugung und Umgang mit Energie zu diskutieren! ”
www.energie-neu-denken.eu
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Modell Wien
Flaktürme als saisonale Wärmespeicher
Sebastian Leitner 2012
Hinweis: Es handelt sich um einen Auszug meiner Diplomarbeit (Vollständigkeit und etwaige Verweise sind nicht gewärleistet) und lediglich um ein Modell: Alle Zahlenwerte sind als reine Abschätzungen zu verstehen und dienen ausschließlich zur Illustration - sie repräsentieren keine realen Werte. Des weiteren möchte ich betonen, die Umstände, unter denen ein solches Projekt umgesetzt werden könnte, aussen vor gelassen zu haben!
Ich habe mich bem ü ht, sämtliche Inhaber der Bildrechte ausfindig zu machen und anzuf ü hren. Sollte eine Urheberrechtsverletzung bekannt werden, ersuche ich um Meldung bei mir.
In einer Großstadt Platz für saisonale Wärmespeicher an der Oberfläche zu finden (der Untergrund ist oft ungeeignet durch verzweigte Netze von etwa Gas- und elektrischen Leitungen, U-Bahn etc.) ist unter verschiedenen Gesichtspunkten kaum realisierbar und vor allem teuer. Erst ab einem Speichervolumen von rund 1000m[3] sind die Oberflächenverluste gering im Verhältnis zur Speicherkapazität. Bei Verdoppelung des Speichervolumens steigt der Wärmeverlust bei kompakten Bauformen um circa 30% an, weil die Oberfläche eines Speichers unterproportional mit dem Volumen ansteigt.
Der Vergleich mit Pilotanlagen in Deutschland, die über Jahre hinweg bereits gute Ergebnisse liefern und ständig verbessert werden zeigt, in welchen Dimensionen es möglich ist begrenzte Einzugsgebiete mit Wärme zu versorgen. Bei fast allen größeren Pilotprojekten (ab 25.000m[2] Versorgungswohnfläche) ist ein solarer Deckungsanteil von 50% möglich, der Rest wird z.B. über Fernwärme abgedeckt. Das folgende Modell basiert auf einem saisonalen Heißwasserspeicher, der in einem leerstehenden Flakturm untergebracht ist. Etwaige Sanierungs- und Konstruktionsdetails werden hier nicht behandelt. Im Folgenden werden zwei Wiener Flakturmpaare betrachtet, wobei nur drei dieser vier leer stehen. Jeweils ein Flakturm sei der “Kollektorturm” (mit Solarthermie am Dach und der Fassade) und der andere der “Speicherturm” (mit dem Heißwasserspeicher im Inneren). Der “Speicherturm” übernimmt aber zusätzlich auch eine Kollektorfunktion. Abbildung [1] zeigt den großen Flakturm im Wiener Augarten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Der höchste freistehende Flakturm Wiens im Wiener Augarten (Brigittenau- Leopoldstadt). Er weist eine 16-eckige Form auf und ist 55m hoch. Sein Zustand ist leider sehr schlecht.
Foto: Zoegernitz 2007, http://www.flickr.com/photos/zoegernitz/359924485
Solare Speicher sind oft bivalent ausgelegt, sie besitzen zusätzlich zum Wärmeübertrager des Solarkreises eine weitere Quelle zum Nachheizen, beispielsweise eine Absorptionswärmepumpe. Dieses Nachheizen wird immer dann notwendig, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert, um die Nachfrage an Wärme zu decken, bzw. um die Vorlauftemperatur zu garantieren. Das wird besonders im Winter wichtig, wenn der Heißwasserspeicher entladen wird. Im Sommer wird ausschließlich durch Solarthermie versorgt. Die Wassererwärmung durch Strom als Hilfssystem ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich. Das Flakturm-Speicherssystem müsste in das Fernwärmenetz integriert sein, um einerseits Energiezuschüsse beziehen zu können und andererseits das Gesamtangebot an Wärme zu erhöhen. Im Sommer könnte so ein Heizkraftwerk mit geringerer Leistung betrieben werden oder sogar ganz ersetzt werden, wenn es sich ausschließlich um Warmwasseraufbereitung handelt. Die Problematik liegt erneut in der Netzstruktur und den Temperaturniveaus: An welcher Stelle und mit welcher Temperatur ist es sinnvoll, in das bestehende Wärmenetz einzuspeisen (vgl. Abbildung[2] ). Auch hier könnte die Unterteilung in Teilnetze die Lösung sein: “Inselnetze”, die in erster Linie die nähere Umgebung versorgen und Leitungsverluste gering halten, wären zu prüfen. Eine Wärmepumpe zur Unterstützung im Winter böte sich als Alternative an (auch sie könnte über Fernwärme betrieben werden). Es bleibt zu untersuchen, welche Variante zielführender wäre. Bei Wegfall des Hilfssystems (Wärmepumpe) kann der Speicher im Winter nicht mehr auf die Minimaltemperatur von circa 10°C in den unteren Speicherschichten abgekühlt werden. Diese zusätzliche Wärmemenge steht dann nicht mehr für die Nutzung zur Verfügung. In fast jeder saisonalen Pilotanlage wird daher ein unterstützendes System verwendet, das auf die lokal herrschende Situation angepasst ist und durch höheren Ertrag der Solaranlage geringere Energiepreise für den Abnehmer garantiert. Ein solches Hilfssystem könnte auch eine Biogasanlage sein.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Skizze einer möglichen Fernwärmekoppelung mit Solarthermie und saisonalem Speicher. Letztere müssten einen eigenen Kreislauf darstellen, wobei Kollektoren auch auf Hausdächern in der Stadt verteilt sein könnten. Bei zu wenig Sonneneinstrahlung springt die Fernwärme als Energielieferant (mit 100°C) für den Speicher ein. Durch Sanierung und Niedertemperaturtechnologien sinkt der Vorlaufbedarf von Neubauten, sie nützen die “Abwärme” der (teilweise unsanierbaren) Altbauten.
Einen Stahlbetonspeicher in dieser Größe zu bauen kostet normalerweise um 120€/m3, etwa 100€/m3 bei einem Stahltank (nach (1) BINE). Diese Investitionskosten würden bei einem Flakturm (Stahlbetondicke 2,5m) entfallen, nicht aber die Kosten für Abdichtung (Innenverkleidung durch Kunststofffolie) und thermische Isolation (hier Polystyrol von 20cm Dicke, thermische Stabilität wird vorausgesetzt), wobei es sich um einen drucklosen Speicher handen müsste - die Ausdehnungseigenschaft wäre sonst u.a. zu berücksichtigen. Dadurch treten aber Verdampfungsverluste auf, das Kollektorfeld könnte daher nur mit max 95°C betrieben werden (für Flachkollektoren ineffizient, Vakuum-Rohrkollektoren würden hier einen sinnvollen Temperaturbereich bieten oder die reine Koppelung an die Fernwärme). Beton ist selbst potenzielle Speichermasse, jedoch variiert der Zustand der Außenschale der Flaktürme. Vernachlässigt man etwaige Sanierbedürftigkeit, müsste lediglich nach außen hin wärmegedämmt werden. Wärmeüberträger könnten in die vorhandene Substanz eingebracht werden. Um die Temperaturschichtung auszunützen, befände sich das Be- und Entladesystem sowohl am Kopf als auch an der Basis des Speichers. Weiters müsste man eine maximale Rücklauftemperatur definieren (etwa 30°C), um einen kontinuierlich hohen Wirkungsgrad aufrecht erhalten zu können.
Abbildung 3: LINKS: Der Partnerturm im Wiener Augarten. Er ist leerstehend und sein Zustand ist gut. Seine Höhe beträgt 51m, seine Grundfläche ist wesentlich kleiner als die des 16-eckigen Partners. Foto: Bertram 1990, http://www.turbo.at/geheimprojekte/augarten_l03.JPG. RECHTS: Schematische Darstellung des Flakturmes als Heißwasserspeicher mit Temperaturgradient. Die Betonwand (hellgelb) ist innen mit einer Plastikfolie (Abdichtung) ausgekleidet und nach außen hin durch Polystyrol wärmegedämmt. Eine 2,5m dicke Betonwand hält dem Wasserdruck von rund 5bar (hydrostatischer Druck) leicht stand. Gegebenenfalls muss eine solche zusätzlich am Boden eingezogen werden.
Es folgen Basiswerte eines Flakturm-Speichermodells, die sich aus den theoretischen Parametern und Definitionen zusammensetzen. Durch detaillierte Konzeption eines Systems könnten sich die Energieerträge (z.B. mit Hilfe von Wärmepumpen) noch steigern lassen, auch bezüglich der Planung des Kollektorfeldes. Es soll hier aber nur ein Überblick gegeben und mögliche Energiemengen abgeschätzt werden. Das Flakturmpaar aus Stahlbeton ist durch ein Wärmeüberträgersystem verbunden. Beide Türme besitzen Kollektoren am Dach, wobei auch über Solarthermie an der Fassade nachgedacht werden kann. Die innere Beschaffenheit wurde vernachlässigt, die Türme wurden als hohle Wassertankspeicher angenommen ( vgl. Abbildung[3] ).
In Tabelle[1] sind alle relevanten Grundparameter aufgelistet, Tabelle[2] enthält die Stoffdaten. Zu beachten: Beton ist ebenfalls wesentliches Speichermedium. In Tabelle[3] finden sich die daraus errechneten Energiewerte, wobei Verluste vorerst ignoriert wurden. Der Rechengang erfolgt analog zu den Grundlagen der ersten Kapitel.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
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- Citation du texte
- Sebastian Leitner (Auteur), 2012, Flaktürme als saisonale Wärmespeicher, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/204559
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