STES - EINSTEIN Project

Dr Shane Colclough
Mr Miguel Ramirez
Prof Neil J Hewitt
Deutsche Version:
Dr.-Ing. Dan Bauer
Dr.-Ing. Roman Marx
Seasonal Thermal Energy Storage (STES)
for technical experts
Saisonale thermische Energiespeicherung (STES)
für technische Experten
(Architekten, Ingenieure, Baufirmen etc.)
1
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Bauweisen, Systeme, thermische
Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
2
Was ist STES?
 Kälte während des
Winters speicher, um sie
im Sommer zu nutzen
 Wärme im Sommer
speichern, um sie im
Winter zu nutzen
3
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Bauweisen, Systeme, thermische
Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
4
Warum STES?





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)
Datenquelle: SoDa-is.com
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Bauweisen, Systeme, thermische
Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
6
Geschichte der STES – Kältespeicherung
400 vor Christus wurden 20 Meter hohe
Ziegeltürme (Yakhchals) genutzt, Eis zu
speichern um damit bei Umgebungstemperaturen bis zu 40°C zu kühlen
Source: awesci.com
 Antikes Persien
 Römer
 Kühlhäuser
Im 18.-19. Jahrhundert wurde Flussoder Brunnenwasser genutzt, um im
Inneren kühle Temperaturen zur
Haltbarmachung von Lebensmitteln zu
erzeugen (Middleton, England – Glen
River, Nordirland).
Source: Griffiths & Colclough
nutzten im 1. Jahrhundert nach Christus
Brunnen und transportierten Schnee um
ihre Speisen und Wein zu kühlen
7
Geschichte der STES – Wärmespeicherung
 Deutschland nach dem 1. WK
Erste Machbarkeitsstudien ab 1920
aufgrund der limitierten Ressourcen
 USA
Das Keck “Glas” Haus 1933 und das MIT
Haus 1939 waren beide aus Glas und mit
viel thermischer Kapazität zur Wärmespeicherung gebaut.
 Dänemark, Schweden
Während der 70er Jahre zwang die
Ölkrise die Regierungen dazu, nach
Alternativen zu suchen. Kleine und
Große thermische Energiespeicher in
Kombination mit Nahwärmesystemen
wurden gebaut.
8
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Bauweisen, Systeme, thermische
Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
9
Wie es funktioniert - Komponenten

Wärmequelle




Thermische Speicher




Solar
Biomasse
Industrielle Abwärme..
Hohe thermische Kapazität
Große Volumina
Geringe Wärmeverluste
Anlagentechnik und Verteilung


Brenner, Wärmepumpe
Nahwärmesystem
10
Wie es funktioniert- Konfigurationen

Parallel
Wärmepumpe, Solarkollektor
und STES arbeiten unabhängig
zur Deckung des Wärmebedarfs
Seriell
Quelle: Solites

Solarkollektor oder STES als
Wärmequelle für die Wärmepumpe oder in Ergänzung zu
anderen Quellen

Seriell/Parallel
Mischbetrieb: Entweder die
Wärmepumpe
oder
die
Solarkollektoren
stellen
Wärme bereit. Dabei arbeiten
sie seriell oder parallel.
11
Wie es funktioniert- Konfigurationen

Parallel
Die 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.
Wärmebereitstellung
Solar
Kollektoren
Wärmepumpe
STES
(Luft/ErdreichWärmequelle)
Last
12
Wie es funktioniert- Konfigurationen

Seriell
Die 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.
Wärmebereitstellung
Solar
Kollektoren
STES
Wärmepumpe
Last
13
Wie es funktioniert- Konfigurationen

Seriell/Parallel
Der 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.
Wärmebereitstellung
Solar
Kollektoren
STES
Wärmepumpe
Last
14
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Speicherverfahren, Bauweisen,
thermische Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
15
Thermische Energiespeicherung - Speicherverfahren



Latente Wärme
Chemisch
gebundene Energie
Fühlbare Wärme
16
Thermische Energiespeicherung - Speicherverfahren



Latente Wärme
Chemisch
gebundene Energie
Fühlbare Wärme
Übliche Materialien zur Speicherung
latenter
Wärme
sind
fest-flüssigPhasenwechselmaterialien
(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.
17
Thermische Energiespeicherung - Speicherverfahren



Latente Wärme
Chemisch
gebundene Energie
Fühlbare Wärme
Die 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 an Wärme. Diese
beiden Vorteile vereinfachen eine
effiziente
Speicherung
thermischer
Energie über lange Zeiträume.
18
Thermische Energiespeicherung - Speicherverfahren



Latente Wärme
Chemisch
gebundene Energie
Fühlbare Wärme
Fühlbare 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.
19
Heißwasser-Wärmespeicher
Thermische EnergiespeicherungKies/Wasser-Wärmespeicher
- Bauweisen
Sommer
Heißwasser-Wärmespeicher
Heißwasser-Wärmespeicher
Winter
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Sommer
Winter
Sommer
Winter
Wärmedämmung
Abdichtung
Schutzvlies
Wärmedämmung
Wärmedämmung
Abdichtung
Abdichtung
Schutzvlies
Warmwasserspeicher (TTES)
Erdsonden-Wärmespeicher
1)
~70 kWh/m³
Schutzvlies
Erdbeckenspeicher (PTES)
~55 kWh/m³ 2)
Erdsonden-Wärmespeicher
Erdsonden-Wärmespeicher
Erdsonden-Wärmespeicher (BTES)
15-30 kWh/m³
1) J
max=90
Aquifer-Wärmespeicher (ATES)
30-40 kWh/m³
°C, Jmin=30 °C ohne Wärmepumpe2) Jmax=80 °C, Jmin=10 °C Kies/Wasser-TES mit Wärmepumpe
(D 5.5)
Thermische Energiespeicherung - Bauweisen

Thermische Energiespeicher: Bauweisen
TTES
PTES
BTES
ATES
Speichermedium
Wasser
Wasser*
Kies/Wasser*
Erdreich/Gestein
Sand-Wasser
60-80
30-50
15-30
30-40
1.3-2m³
3-5 m³
2-3 m³
- Bohrfähiger Untergrund
- Grundwasser bevorzugt
- Hohe Wärmekapazität
- Hohe Wärmeleitfähigkeit
- Geringe hydraulische
Durchlässigkeit (kf<10-10
m/s)
- Natürliche Grundwasserströmung < 1 m/a
- 30-100 m Tiefe
- Natürliche Aquiferschicht mit
hoher hydraulischen
Durchlässigkeit (kf>10-5 m/s)
- Abgrenzende Schicht nach
oben und unten
- Keine oder geringe
Grundwasserströmung
- Passende Grundwasserchemie
für hohe Temperaturen
- Aquiferdicke 30-50 m
Wärmekapazität in kWh/m³
60-80
Speichervolumen äquivalent zu 1 m³ Wasser
1 m³
1 m³
Geologische Anforderungen
- Stabile
Untergrundbedingungen
- Bevorzugt ohne
Grundwasser
- 5-15 m Tiefe
- Stabile
Untergrundbedingungen
- Bevorzugt ohne Grundwasser
- 5-15 m Tiefe
* Aus thermodynamischer Sichtweise ist Wasser zu bevorzugen. Kies/Wasser wird bevorzugt, wenn Oberfläche des Speichers
genutzt werden soll (z.B. für Straßen, Parkplätze etc.).
Quelle: http://solar-district-heating.eu/
21
Thermische Energiespeicherung - Wärmeverluste

Wärmeverluste von
STES können hoch
sein
Wegen des geringeren
Oberflächen/VolumenVerhältnisses kühlen
große Speicher
langsamer ab und
werden deshalb
bevorzugt. Dies führte
zur Kombination von
großen STES mit
Nahwärmesystemen.
Abkühlkurven eines Warmwasserspeichers mit einem NettoWasservolumen von 10 m3 (zylindrische Form: Ø 2 m,
Höhe 3,18 m); Starttemperatur 80 °C, Außentemperatur 5 °C
Zeit in Tagen
A: konventionelles Dämmmaterial: λ = 0,05 W/(m·K), Dämmstärke s = 0,2 m
B: konventionelles Dämmmaterial: λ = 0,05 W/(m·K), Dämmstärke s = 2 m
C: Vakuumdämmung: λ = 0,005 W/(m·K), Dämmstärke s = 0,2 m
22
Thermische Energiespeicherung - Bauweisen

Thermische Energiespeicher mit
fühlbarer Wärme
Die unterschiedlichen Bauweisen der STES zeichnen sich durch unterschiedliche nutzbare
Speicherkapazitäten, Temperaturniveaus und Be- und Entladeleistungen aus. Ferner hängt die
volumenspezifische, nutzbare Wärmekapazität von den Betriebstemperaturen und der
Speicherkapazität des Materials ab. Dies muss alles für die Auswahl eines STES berücksichtigt
werden.
120
Entladung mit Wärmepumpe
Wärmepumpennutzung
Rücklauftemperatur des
Nahwärmenetzes
nutzbare volumenspezifische
Speicherkapazität / kWh/m³
100
HWTES
TTES
GWTES
BTES
BTES
abhängig von
depending
on
regulations
Nutzungsbedingungen und
Untergrundbiochemie
ATES
Entladung mit dem Rücklauf des
Nahwärmenetzes
80
TTES
GWTES
BTES
ATES
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Temperature / °C
Maximale Betriebstemperaturen unterschiedlicher STES Bauweisen abhängig von
der Rücklauftemperatur des Nahwärmenetzes und Wärmepumpennutzung [Quelle:
ITW, Universität Stuttgart].
10
20
30
40
50
60
minimale Entladetemperatur / °C
70
Nutzbare volumenspezifische Speicherkapazität abhängig von der
minimalen Entladetemperatur der unterschiedlichen STES
Bauweisen [Quelle: ITW, Universität Stuttgart].
80
Thermische Energiespeicherung - TTES
TTES
Beton
Ortmontage
Stahl
vorgefertigt
Ortmontage
GFK
Vakuum
gedämmt
vorgefertigt
Stahlbeton
Stahlbehäter
VORTEILE

Zusätzliche Speicherkapazität (bis zu +25%)

Material schützt die Wärmedämmung
NACHTEILE

Schwere Konstruktion

Erfordert Abdichten gegen Wasser

Limitierte Druckfestigkeit

Für gewöhnlich schlechteres H/D Verhältnis
und schlechtere thermische Schichtung
VORTEILE

Leichtere Konstruktion

Wasserdicht

Flexible Geometrie
NACHTEILE

Hohe Wärmeleitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeit kann thermische
Schichtung reduzieren
24
Thermische Energiespeicherung – Thermische Schichtung

Thermische
Energiespeicherung –
Thermische Schichtung
Die effektive Speicherung thermischer Energie
erfordert in Behältern sowohl eine gute
Wärmedämmung der Hülle als auch ein Be- und
Entladesystem das zuverlässig eine thermische
Schichtung erzeugt und aufrecht erhält. Die
Qualität der thermischen Schichtung im Speicher
hat einen entscheidenden Einfluss auf die
Leistungsfähigkeit des Solarteils der Anlage. Das
Vermischen von warmen und kalten Wassers
innerhalb des Speichers reduziert den solaren
Ertrag wodurch mehr nachgeheizt werden muss.
THERMAL STORAGE - Stratification

Types of stratification device



External: Automatic valves control the flow along the height
of the tank
Internal: Hot water inlet height is self-controlled by water
density
Reasons to use




Stratification in a STES affects the quality and durability of
the stored energy
Diversity of temperature: Solar collectors, heat pumps and
conventional boilers operate at different temperatures
Supply and return water temperature affect the
stratification within the storage tank
Poorly designed stratification systems affect directly the
quality and durability of a TES system
26
Thermische Energiespeicherung – Pufferspeicher




Pufferspeicher
Pufferspeicher sind in thermischen
System
für
den
Lastausgleich
erforderlich.
Sie stabilisieren die Wärmeleistung und
Heiztemperatur der Wärmepumpe
Sie regeln das Temperaturniveau und
verbessern dadurch die Nutzung von
Wärmeübertragern
27
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Speicherverfahren, Bauweisen,
thermische Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
28
Seriell/Parallel Betrieb
Beispiel für den Betriebsmodus
Seriell/Parallel
(EINSTEIN Demonstrationsanlagen)
Seriell/Parallel Betrieb

Beladung
Die 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.
Seriell/Parallel Betrieb

Direkte Entladung
Die 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
Seriell/Parallel Betrieb

Wärmepumpenbetrieb
Die
Wärmepumpe
wird
dann
betrieben,
wenn
die
STESAustrittstemperatur 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
Seriell/Parallel Betrieb

Zusatzsystem– Brenner
Wenn 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
Seriell/Parallel Betrieb

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.
34
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Speicherverfahren, Bauweisen,
thermische Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
35
Berechnungsmöglichkeiten - Diagramm

Sanky-Diagramm einer STES Anlage mit Wärmepumpe
36
Berechnungsmöglichkeiten

Q= m.cp.ΔΤ




Q: Gespeicherte Energiemenge
m: Masse des Speichermaterials
cp: Spezifische Wärmekapazität des Speichermaterials
ΔT: Temperaturänderung des Speichermaterials
während der Beladung
37
Berechnungsmöglichkeiten

Maximal gespeciherte thermische Energie
Die maximal in einem STES gespeicherte thermische Energie in MWh kann
nach folgender Gleichung berechnet werden:
𝑄𝑚𝑎𝑥 = 𝑉 ∙ 𝜌 ∙ 𝐶𝑃 ∙ (𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑚𝑖𝑛 )
V: Volumen (m3)
ρ ∙ Cp: Wärmekapazität des Speichermediums (MJ/(m3 K)
Tmax: Maximale Speichertemperatur
Tmin: Minimumale Speichertemperatur
38
Berechnungsmöglichkeiten

Solarer Deckungsanteil
Die zwei Kennzahlen, welche die Effizienz einer STES Anlage mit
Wärmepumpe charakterisieren, sind der solaren Deckungsanteils (SF) und die
Leistungszahl der Wärmepumpe (COP). Diese Kennzahlen variieren bei
Änderung der Kollektorfläche und Speichervolumen.
Solare Heizungsanlagen werden hauptsächlich mit dem solaren Deckungsanteil
evaluiert. Dieser ist, wie in nachstehender Gleichung beschrieben, der Anteil
an der solaren Nutzwärme geteilt durch den Wärmebedarf.
𝑞𝑐 − 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠
𝑆𝐹 =
𝑄ℎ𝑑
qc: Kollektorertrag
Qloss: Wärmeverluste des Systems
Qhd: Wärmebedarf
39
Berechnungsmöglichkeiten

Energiebilanz der STES Anlage
Auf Basis des Energieerhaltungssatzes kann die gespeicherte Energie nach
folgender Gleichung berechnet werden:
𝑞𝑐 + 𝑊ℎ𝑝 = 𝑄ℎ𝑑 + 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 + 𝑄𝑡𝑎𝑛𝑘
Dabei ist qc der Kollektorertrag, Whp ist der elektrische Verbrauch der
Wärmepumpe, Qhd ist der Wärmebedarf für Raumheizung und
Warmwasserbereitung, Qloss sind die Wärmeverluste des Systems und Qtank ist
die gespeicherte Energie im STES. Einheiten in kWh.
40
Berechnungsmöglichkeiten

Leistung der Wärmepumpe
Die Effizienz einer Wärmepumpe kann durch die Leistungszahl (COP)
beschrieben werden. Der COP stellt das Verhältnis aus gelieferter Wärme zu
benötigter Energie dar. Der COP hängt von der Wärmequellen- und
Wärmesenkentemperatur, der Effizienz des Verdichters und des Kältemittels
ab.
𝐶𝑂𝑃 = 𝜂𝑐 ∙ (𝑇𝑠𝑖𝑛 𝑇𝑠𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑟 )
𝑛
𝑄ℎ𝑑
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 +
𝑊𝑖,𝑝𝑢𝑚𝑝 𝑎𝑛𝑑 𝑓𝑎𝑛 =
𝐶𝑂𝑃
𝑖=1
Geringere Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und Wärmesenke
resultiert in höheren Werten des COP. Ein Niedertemperaturheizungssystem
und eine hohe Wärmequellentemperatur sind daher ideal.
ηc: Carnot Wirkungsgrad
Tsin, Tsor : Wärmesenken- und Wärmequellentemperatur(C)
W: Verrichtete Arbeit des Verdichters, Pumpe und Lüfters (kWh)
Qhd: Wärmebedarf (kWh)
41
Berechnungsmöglichkeiten

STES Volumen
Wenn das Volumen des STES feststeht, können die weitere
Dimensionierung der Anlage berechnet werden. Es wird angenommen das
ein Behälterspeicher mit Zylinderform und einem HD Verhältnis von 0,6
verwendet wird.
1
𝐷 = [4 ∙ 𝑉 (𝜋 ∙ 𝐻𝐷)] 3
𝐴 = 𝜋𝑟 2
𝐻𝑎𝑐𝑢 = 𝐻𝐷 ∙ 0.5
𝐴𝑎𝑐𝑢 = (𝐻𝐷 ∙ 0.5) ∙ 𝜋 ∙ 𝐷2
HD: Höhe zu Durchmesser Verhältnis
Hacu: Höhe des STES (m)
Aacu: Gesamtfläche des STES (m2)
42
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Speicherverfahren, Bauweisen,
thermische Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
43
Wo wird es am besten eingesetzt?
Gebäude Typ





Klimatische Verhältnisse


Einzelnes Gebäude
Quartierslösung
Neubau (bevorzugt)
Bestand
Source: Asko professionals

Hohe jährliche
Solarstrahlungssumme &
moderater Wärmebedarf im
Winter ist ideal
Heizungstyp


Nahwärme
Niedertemperatur-Heizung
44
Wo wird es am besten eingesetzt? - Randbedingungen

STES Untergrundverhältnisse




Wärmequelle




Geologie
Flächenbedarf
Hydrogeologie (Grundwasserleiter)
Genügend Fläche für Solarkollektoren (Freiland, Dach)
Industrielle Abwärme (Temperaturniveau, Verfügbarkeit,
Entfernung)
Verfügbarkeit Nahwärmenetz
Nutzungsweise


Einzellast – (stabiler Betrieb)
Nutzung durch unabhängige Abnehmer (komplexe
Regelung erforderlich)
45
Wo wird es am besten eingesetzt? – EINSTEIN Daten

Standort innerhalb der EU
Der 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).
46
Wo wird es am besten eingesetzt? – EINSTEIN Daten

STES Integration
Entsprechend 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”
47
Wo wird es am besten eingesetzt? – EINSTEIN Daten

Planung der STES-Systeme und EINSTEIN-Anlagen
Zahlreiche 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
EINSTEINDemonstrationsanlagen
findet sich hier.
48
Wo wird es am besten eingesetzt? – Kombination aus
Energieeffizienz und Nutzung erneuerbarer Energien

Energie-Strategie
STES-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 verschiedener
Maßnahmen zu ermitteln wurde ein Evaluation Tool erstellt.
49
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
• Wahl der Höhe der Energieeinsparung
2. Angestrebte
Energieeinsparung
3. Berechnung
kostengünstigste Lösung
4. Ergebnisse
•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)
• Beste Kombination ausgewählt
• Primärenergieeinsparung. (kWh/a)
• Erforderliches Investment (€)
50
EVALUATION TOOL – Die kostengünstigste Lösung
Software Model zur
Beurteilung des
energetischen
Verhaltens
bestehender
Gebäude
Hauptziel:
“Entwicklung eines
methodischen Evaluation
Tools zur wirtschaftlichsten
globalen energetischen
Vorgehensweise bei der
Gebäudesanierung”
Beitrag des STES
zur
Kosteneffizienz
Passive
Sanierungsmaßnahmen
Decision Tool zur
Auslegung und
Bewertung des STES
Evaluation Tool
für
wirtschaftlichste
Rahmenbedingungen bei
der Sanierung
EVALUATION TOOL
51
Wo wird es am besten eingesetzt? – STES Design Tool
Decision Support Tool
Im 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)
Für weitere Information bzgl. des DST bitte hier klicken.
52
Wo wird es am besten eingesetzt? – STES Design Tool
DST Beschreibung
Das DST besteht aus drei wesentlichen Bereichen:
 Dateneingabe
 Berechnungsbereich
 Ergebnisbereich
Vergleich verschiedener Fälle
Neben 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
53
Wo wird es am besten eingesetzt? – Einfamilienhaus
EFH: Einfamilienhaus
EFH
84,5
m2
54
Wo wird es am besten eingesetzt? – Mehrfamilienhaus
MFH: Mehrfamilienhaus
MFH
676
m2
litres of water
consumption
DHW MFH
120.00
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
0.00 2.00 4.00 6.00 8.0010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.00
h
55
Wo wird es am besten eingesetzt? – Muster-Ergebnisse
€ saving/kWh consumed
Ratio Total result per period/Primary energy
consumed vs Primary energy
Kurve der besten
Ergebnisse
(Pareto
distribution)
0.300
0.250
0.200
0.150
0.100
0.050
0.000
0%
140.00
20%
40%
60%
% Primary savings
80%
100%
Ratio Investment / Primary energy savings vs % Primary energy
reduction
120.00
100.00
best restults (Invest
aproach)
80.00
60.00
best results (20 y
exploitation
aproach)
40.00
20.00
0.00
0%
20%
40%
60%
% Primary savings
80%
100%
56
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Speicherverfahren, Bauweisen,
thermische Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
57
Wie viel kostet es?
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.
58
HOW MUCH DOES IT COST? – The STES tank



Das Diagramm oben zeigt die Kosten für eine große Bandbreite an STES
für Nahwärmeanlagen. Die spezifischen Speicherkosten nehmen bei
steigendem Volumen ab.
Die
Kosten
der
beiden
EINSTEIN
STES
innerhalb
der
Demonstrationsanlagen sind hervorgehoben.
Der 23 m3 große Multifunktionsspeicher in Lysekil ist in einer anderen
59
Größenordnung und kostet 700 €/m3
Wie viel kostet es? – Wärmegestehungskosten

Beispiel für eine STES-Installation für ein einzelnes Haus
Passivhaus mit solarer Trinkwassererwärmung 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.
Quelle: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016
Die gezeigten Kosten beinhalten das System,
Betriebskosten und Brennstoffkosten und
berücksichtigen Inflation und Net Present Value.
60
Wie viel kostet es?

Beispiel einer kleinen STES-Installation
10 Wohneinheiten mit solarer Trinkwassererwärmung und
Heizung mit STES in Lysekil, Schweden



Gebäude wurde auf
Passivhausstandard saniert
Solarer Heizsystem mit STES
Amortisation nach 17 Jahren
Beschreibung
Multiple Nutzung
10 (4 Geschäftsräume, 6
Wohnungen)
Anzahl der Einheiten
Gesamtfläche [m2]
381 plus 390 = 781
Solarfläche [m2]
50
Mehrtagesspeicher [m3]
3.3
STES [m3]
23
Heizwärmebedarf [kWh]
53 422
Warmwasserbedarf [kWh]
7 417
Gesantkosten
Jahre [€]
über
40
405 415
Payback Zeitraum [Jahre]
17
Einsparung im Vergleich
ohne STES
27 %
61
Wie viel kostet es?

Beispiel einer kleinen STES-Installation
10 Wohneinheiten mit solarer Trinkwassererwärmung und
Heizung mit STES in Lysekil, Schweden



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)
62
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Thermische Energiespeicherung (Speicherverfahren, Bauweisen,
thermische Schichtung)

Serieller/paralleler Betrieb

Berechnungsmöglichkeiten

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

EINSTEIN Pilotanlagen und Fallstudien
63
EINSTEIN Pilot Anlagen
64
EINSTEIN Pilotanlage - Bilbao
EINSTEIN spanische Demonstrationsanlage
Spanische Demo-Anlage
Gebäude
Solarkollectoren
Flachkoll.
Raumfläche
1 050 m2
Flaäche
62 m2
Wärmebedarf
83 MWh/a
Anstellwinkel
40°
Wärmeverteilung
Niedrige Temp.
Ausrichtung
Süd
Arbeitsmittel
Wasser/Glykol
Pufferspeicher
2 m3
STES Vol.
180 m3
Weitere Details können
folgender Berichte
entnommen werden:
• Design and installation
• Monitoring
• Impact Assessment
• Overall report
65
EINSTEIN Pilotanlage - Bilbao
Hydraulikschema
Solarkollektoren
Kessel
Wärmepumpe
STES
Pufferspeicher
Gebäude
66
EINSTEIN Pilotanlage - Bilbao
Bauzeit: 11 Tage
67
EINSTEIN Pilotanlage - Bilbao
STES innovatives Design
Doppelwandiger Behälter. Modularer Aufbau.

Innentank:  6 m ;
Höhe 6,45 m Wasserstand
(6,70 gesamt)

Außentank:  7,10 m; Höhe 8,05 m

Weniger Wärmebrücken durch Vermeidung von
Verbindungselementen
Innovative Wärmedämmung.
Bodendämmung im inneren des Speichers:

0,45 m Blähton Granulat.

Lastabtrag über den Boden und nicht die Hülle
Ringspalt und Deckel: neues PUR Recycling Granulat.

Ringspalt 0.55 m; Deckel 0.87m

Schütt- und einblasfähiges Dämmmaterial
68
EINSTEIN Pilotanlage - Bilbao

Pumpen, Verrohrung, Wärmeübertrager,
Pufferspeicher
Sekundärkreislauf,
Verteiler
Wärmeübertrager
Pufferspeicher, 2 m3
69
EINSTEIN Pilotanlage - Bilbao
Erste Beladung des STES
Maximale Temperatur 66.7°C
70
EINSTEIN Pilotanlage - Zabki
EINSTEIN polnische Demonstrationsanlage
STES System
Gebäude
Typ
TTES
Geschoßfläche
794 m2
Volumen
800 m3
Spitzenheizlast
75 kW
Anstellwinkel
Kollektoren
40°
Heiztemperatur
Hohe Temp.
Orientierung
Süd
Arbeitsmittel
Wasser/Glykol
Nahwärme
Gesamtlänge
150 m
Rohre
2x DN65 flexibel,
Wärmegedämmt mit
Polybutylen mit PEHD
Ummantelung
Weitere Details können
aus folgenden Berichten
entnommen werden:
• Design and installation
• Monitoring
• Impact Assessment
• Overall report
71
EINSTEIN Pilotanlage - Zabki
72
EINSTEIN Pilotanlage - Zabki
Pufferspeicher
Gaskessel
Wärmepumpe
73
EINSTEIN Pilotanlage – Zabki Scada System
74
Fallstudien
Flachkollektoren
Heizzentrale
Gas
BrennwertKessel
Wärmeübergabestation
Wärmenetz
Saisonaler
Wärmespeicher
Solarnetz
Quelle: ITW, Universität Stuttgart
Fallstudien
STES unter dem Haus



1. Europäisches 100% Solar Haus
Oberburg, Schweiz
In Betrieb seit Januar 1990
Source: Jenni Energietechnik

76
Fallstudien
Oberburger Sonnenhaus




Erstes Mehrfamilienhaus, das komplett solar beheizt wird
Oberburg, Schweiz
276 m² Kollektorfläche
205 m³ thermischer Energiespeicher als Behälter
Quelle: Jenni Energietechnik

77
Fallstudien
Hamburg (1996)




3.000 m²
Flachkoll.
4500 m³
Warmwasserspeicher
Neckarsulm (1997)




5.900 m²
Flachkoll.
63.300 m³
BTES
Rostock (2000)




1.000 m²
Solar-roof
20.000 m³
ATES
: USTUTT
Friedrichshafen (1996)




4.050 m²
Flachkoll.
12.000 m³
Warmwasserspeicher
Steinfurt (1998)




510 m²
Flachkoll.
1.500 m³
Kies/WasserErdbeckenspeicher
Hannover (2000)




1.350 m²
Flachkoll.
2.750 m³
Warmwasserspeicher
Fallstudien
Chemnitz, 1. Phase (2000)




540 m²
Vakuumröhren
8.000 m³
Kies/WasserErdbeckenspeicher
München (2007)




2.900 m²
Flachkoll.
5.700 m³
Warmwasserspeicher
Eggenstein (2008)




1.600 m²
Flachkoll.
4.500 m³
Kies/WasserErdbeckenspeicher
Quelle: USTUTT
Attenkirchen (2002)




800 m²
Solar-Roof
9.850 m³
Warmwasserspeicher &
Erdsonden
Crailsheim (2007)




7.500 m²
Flachkoll.
37.500 m³
BTES
Dr Shane Colclough
Mr Miguel Ramirez
Prof Neil J Hewitt
Deutsche Version:
Dr.-Ing. Dan Bauer
Dr.-Ing. Roman Marx
Seasonal Thermal Energy Storage (STES)
for technical experts
Saisonale thermische Energiespeicherung (STES)
für technische Experten
(Architekten, Ingenieure, Baufirmen etc.)
80