STES - EINSTEIN Project

Miguel Ramirez
Dr Shane Colclough
Prof Neil J Hewitt
Deutsche Version:
Dr.-Ing. Dan Bauer
Seasonal Thermal Energy Storage (STES)
for EDUCATORS
Saisonale thermische Energiespeicherung (STES)
für Ausbilder
(wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen, öffentliche Verwaltung, etc.)
1
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
2
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
3
Was ist STES?
 Kälte während des
Winters speicher, um sie
im Sommer zu nutzen
 Wärme im Sommer
speichern, um sie im
Winter zu nutzen
4
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
5
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 (Stockholm)
Datenquelle: SoDa-is.com
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
7
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
8
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.
9
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
10
Wie es funktioniert - Komponenten

Wärmequelle




Thermische Speicher




Solar
Biomasse
Industrielle Abwärme..
Hohe thermische Kapazität
Große Volumina
Geringe Wärmeverluste
Anlagentechnik und Verteilung


Brenner, Wärmepumpe
Nahwärmesystem
11
Wie es funktioniert- Konfigurationen

Parallel
Wärmepumpe, Solarkollektor
und STES arbeiten unabhängig
zur Deckung des Wärmebedarfs
Seriell
Source: 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.
12
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.
Solar
Collectors
DHW
Heat Pump
STES
(Air/Ground source)
LOAD
13
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.
Heat
Pump
Solar
Collectors
DHW
STES
LOAD
14
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.
Solar
Collectors
DHW
STES
Heat
Pump
LOAD
15
Beispiel für den Betriebsmodus
Seriell/Parallel
(EINSTEIN Demonstrationsanlagen)
Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

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.
Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

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
Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

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
Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

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
Wie es funktioniert – Seriell/Parallel

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.
21
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
22
Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie



Latente Wärme
Chemisch
gebundene Energie
Fühlbare Wärme
23
Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Latente 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.
Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Thermochemische
Energiespeicherung
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.
Diese
beiden
Vorteile vereinfachen eine effiziente
Speicherung thermischer Energie über lange
Zeiträume.
Möglichkeiten der Speicherung thermischer 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.
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
27
Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Q= m.cp.ΔΤ




Q: Gespeicherte Energiemenge
m: Masse des Speichermaterials
cp: Spezifische Wärmekapazität des Speichermaterials
ΔT: Temperaturänderung des Speichermaterials
während der Beladung
28
Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Beispiel:
Solarkollektoren erwärmen 100 m3 Wasser im inneren
eines gedämmten Warmwasserspeichers von 25 auf
50°C. Welche Energiemenge ist im Wasser
gespeichert?
Q = m.cp.ΔΤ
m = ρ.V = 1000kg/m3 x100m3 = 100000kg
cp = 4.18 kJ/kg.K)
ΔΤ= 25 K
Q= 100000 x 4.18 x 25 = 10450 MJ = 2.9 MWh
29
Heißwasser-Wärmespeicher
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Wie viel Energie kann gespeichert
werden?
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
Erdsonden-Wärmespeicher
1)
~70 kWh/m³
Schutzvlies
Erdbeckenspeicher
~55 kWh/m³ 2)
Erdsonden-Wärmespeicher
Erdsonden-Wärmespeicher
Erdsonden-Wärmespeicher
15-30 kWh/m³
1) J
max=90
Aquifer-Wärmespeicher
30-40 kWh/m³
°C, Jmin=30 °C ohne Wärmepumpe2) Jmax=80 °C, Jmin=10 °C Kies/Wasser-TES mit Wärmepumpe
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
31
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
32
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
33
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)
34
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).
35
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”
36
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.
37
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)
Anwenderzielgruppe
Zielgruppe des DST sind Ingenieure und Bauunternehmen mit Basiswissen
bzgl. HLK-Anlagen jedoch ohne Erfahrung mit STES-Systemen.
Für weitere Information bzgl. des DST bitte hier klicken.
38
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
39
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.
40
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 (€)
41
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
42
Wo wird es am besten eingesetzt? – Einfamilienhaus
EFH: Einfamilienhaus
EFH
84,5
m2
43
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
44
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%
45
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
46
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.
47
Wie viel kostet es? – Saisonale Wärmespeicher

Kostenbeispiele für saisonale
Wärmespeicher
Es
gibt
verschiedene
Möglichkeiten,
STES-Systeme
finanziell zu bewerten.
Das Diagramm zeigt Kosten von
realisierten
saisonalen
Wärmespeichern
unterschiedlicher Größe. Die
relativen
Investitionskosten
sinken
mit
zunehmender
Größe.
Die Kosten der EINSTEINSpeicher für kleine und große
Systeme sind in der Tabelle
dargestellt.
Source: Solites
Site
STES Size
{m3}
Cost {€}
Cost/m3
{€}
Sweden
23
16225
705.4
Poland
800
Spain
180
48
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.
Source: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016
Die gezeigten Kosten beinhalten das System,
Betriebskosten und Brennstoffkosten und
berücksichtigen Inflation und Net Present Value.
49
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
Description
Multiunit development
10 (4 commercial, 6
residential)
Number of units
Total floor area {m2}
381 plus 390 = 781 Total
Solar Array {m2}
50
Diurnal Store {m3}
3.3
STES Size {m3}
23
Space heating energy
demand {kWh}
DHW
energy
demand
{kWh}
Total NPV cost over 40
years {€}
Payback peiod {Years}
Saving compared
non Solar STES
with
53,422
7,417
405,415
17
27%
50
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)
51
Inhalte

Was ist saisonale thermische Energiespeicherung (STES)?

Warum STES?

Geschichte der STES

Wie funktioniert es?

Möglichkeiten der Speicherung thermischer Energie

Wie viel Energie kann gespeichert werden?

Wo wird es am besten eingesetzt?

Wie viel kostet es?

Fallstudien
52
Fallstudien
Flachkollektoren
Heizzentrale
Gas
BrennwertKessel
Wärmeübergabestation
Wärmenetz
Saisonaler
Wärmespeicher
Solarnetz
Fallstudien
STES unter dem Haus



1. Europäisches 100% Solar Haus
Oberburg, Schweiz
In Betrieb seit Januar 1990
Source: Jenni Energietechnik

54
Fallstudien
Oberburger Sonnenhaus




Erstes Mehrfamilienhaus das vollständig mit Solarenergie
beheizt wird
Oberburg, Schweiz
276m² Solarkollektoren
205m³ Wärmespeicher
Source: Jenni Energietechnik

55
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)
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4.050 m²
Flachkoll.
12.000 m³
Warmwasserspeicher
Steinfurt (1998)
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510 m²
Flachkoll.
1.500 m³
Kies/WasserErdbeckenspeicher
Hannover (2000)
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1.350 m²
Flachkoll.
2.750 m³
Warmwasserspeicher
Fallstudien
Chemnitz, 1. Phase (2000)
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540 m²
Vakuumröhren
8.000 m³
Kies/WasserErdbeckenspeicher
München (2007)
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2.900 m²
Flachkoll.
5.700 m³
Warmwasserspeicher
Eggenstein (2008)
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1.600 m²
Flachkoll.
4.500 m³
Kies/WasserErdbeckenspeicher
Quelle: USTUTT
Attenkirchen (2002)
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800 m²
Solar-Roof
9.850 m³
Warmwasserspeicher &
Erdsonden
Crailsheim (2007)
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7.500 m²
Flachkoll.
37.500 m³
BTES
Miguel Ramirez
Dr Shane Colclough
Prof Neil J Hewitt
Deutsche Version:
Dr.-Ing. Dan Bauer
Seasonal Thermal Energy Storage (STES)
for EDUCATORS
Saisonale thermische Energiespeicherung (STES)
für Ausbilder
(wissenschaftliche Lehrkräfte, Hochschulen, öffentliche Verwaltung, etc.)
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