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Konversionsfläche wird zu Wärmespeicher

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Projektinfo 01/2013

Energieforschung konkret

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Sonnenenergie in der Erde speichern

Größte solarthermische Anlage Deutschlands hat rund 7.400 m2 Kollektorfläche

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Dieses Forschungsprojekt wird gefördert vom:

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)

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Auf einem ehemaligen Kasernengelände wächst in Crailsheim-Hirtenwiesen ein Wohngebiet, dessen Wärmebedarf zur Hälfte mit Sonnenenergie gedeckt werden soll. Damit dies rund ums Jahr möglich ist, wurde ein saisonaler Erdsonden-Wärme- speicher mit 10.000 m3 Wasseräquivalent installiert. Er ist der bislang kostengünstigste seiner Art. Bevor die Bohrungen für den Speicher starten konnten, musste ein Spezialistenteam das Gebiet nach Blindgängern durchforsten.

Damit aus den US-amerikanischen „McKee Barracks“ ein Wohngebiet werden konnte, ließ die Crailsheimer Bau- und Entwicklungsgesellschaft fünf Gebäude der ehemaligen Kaserne in sanierte Eigentumswohnungen umwandeln. Auf deren Dächern instal- lierten die Stadtwerke Crailsheim Solarkollektoren. Zusätzlich entstand auf einer 32 ha großen Fläche ein Neubaugebiet mit Sporthalle und Gymnasium mit Solardächern sowie Einzel-, Doppel-, Reihen- und Mehrfamilienhäuser. Auf einem Lärmschutzwall, der Gewerbe- und Wohngebiet voneinander trennt, befinden sich die restlichen zwei Drittel der Kollektoren. Diese speisen in einen 480 m3 großen Heißwasser-Puffer- speicher ein, die Dachkollektoren in einen 100-m3-Pufferspeicher. Die Herausfor- derung ist es, die Energie der Sommersonne möglichst verlustfrei für die winterliche Heizperiode zu speichern. Hier kommt der saisonale Erdsonden-Wärmespeicher (ESWSP) zum Einsatz.

Reicht die in den beiden Pufferspeichern gespeicherte Solarwärme nicht mehr aus, speist der saisonale Wärmespeicher in das System ein. Dieser funktioniert im Zusam- menspiel mit dem zweiten und größeren Pufferspeicher, der sich zwischen Kollektor- fläche und Erdsonden-Wärmespeicher befindet. Der Pufferspeicher kann rund um die Uhr in das Langzeitwärmedepot einspeichern. Es ist also eine gewisse Zeitverzö- gerung bei der Beladung des ESWSP möglich. Der Vorteil: Die maximale Belade- leistung des Erdsondenspeichers kann deutlich unter der maximalen Wärmeleis- tung des Kollektorfeldes gehalten werden. Dadurch kann die Größe des Speichers

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so stark reduziert werden, dass trotz des zusätzlich not- wendigen Pufferspeichers die Wirtschaftlichkeit des Ge- samtsystems verbessert wird. Ein weiterer Grund für die geringen Investitionskosten von rund 50 Euro je Kubik- meter Wasser: Das Projektteam setzte Sondenschenkel mit bereits vorhandener Horizontalverrohrung ein. „Bisher wurden gleich lange Sonden in die Erde gesetzt, die durch Schläuche miteinander verbunden waren. Das Ganze wurde vor Ort zusammengeschweißt, was fehleranfällig ist, zu Verunreinigungen führen kann und entsprechend teuer ist“, erklärt der Leiter des Solites-Forschungsinstituts Dirk Mangold, welcher das Projekt beratend begleitet hat. „In Crailsheim setzten wir erstmals Sonden in unterschied- lichen Längen ein und sorgten so zudem für den notwen- digen hydraulischen Abgleich. Dadurch konnten wir auf die bisher dafür eingesetzten Strangregulierventile ver- zichten.“ Materialkosten und Arbeitsaufwand wurden eingespart. Außerdem verwendeten die Verantwortlichen vernetztes Polyethylen als Material für die Erdwärme- sonden. Im Unterschied zur ersten Speichergeneration, bei der das teurere Polybuten zum Einsatz kam.

Wärmepumpe reduziert Speicherverluste

Pufferspeicher 1 (100 m3) 100 m3

Pufferspeicher 2 (480 m3) 480 m3

Nachheizung Heizwerk

Nahwärmenetz Hirtenwiesen II Wärmepumpe 530 KW

Aufgabe der elektrisch angetriebenen Kompressions- Wärmepumpe (Arbeitszahl: 4,8) ist es, den Erdsonden- Wärmespeicher auf möglichst niedrige Temperaturen zu entladen. „Die Besonderheit der von uns eingesetzten Wärmepumpe ist, dass sie mit großen Temperatursprei- zungen bei der Quelltemperatur sehr gut umgehen kann“, so Sebastian Kurz, der Leiter der Planung bei den Stadt- werken Crailsheim. „Die Temperaturen im Speicher können zwischen 20 °C und 50 °C variieren. Trotzdem muss die Wärmepumpe eine konstante Vorlauftemperatur von 60 °C liefern.“ Durch den Einsatz der Wärmepumpe kann der Speicher auf tiefere Temperaturen entladen werden. Somit steigt seine Effizienz: Die Wärmeverluste sinken, die nutz- bare Temperaturdifferenz und die damit verbundene volumenbezogene Speicherkapazität steigen. Zusätzlich erhöht sich der Nutzungsgrad der Kollektorfelder auf dem Lärmschutzwall vor allem im Frühjahr durch niedrigere Kollektorrücklauftemperaturen. Kann der Wärmebedarf des Wohngebietes nicht mehr durch solare Wärme gedeckt werden, erfolgt die Nachheizung auf die erforderliche Vorlauftemperatur durch das örtliche Wärmenetz. Dieses basiert auf zwei Gaskesseln und einem Erdgasblockheiz- kraftwerk.

Der Erdsonden-Wärmespeicher kann mitwachsen

Der Langzeit-Wärmespeicher besteht bis jetzt aus 80 Erd- wärmesonden, ist aber erweiterbar. Je nach Anwachsen des Wohngebietes, kann die Zahl der Erdwärmesonden maximal verdoppelt werden. Die Projektverantwortlichen haben darauf geachtet, dass der Wärmebunker so aus- baubar ist, dass sich der heißeste Bereich im ursprüng- lichen und im erweiterten Zustand im Zentrum befindet. Zusätzliche Bohrungen finden also konzentrisch um den bestehenden Speicher herum statt. Die daraus resultie- rende Form und Temperaturverteilung halten die Wärme- verluste gering. Ursprünglich sollte der Speicher nur mit Solarwärme beladen werden. Eine Erweiterung wäre mit einem Ausbau der Kollektorfläche verbunden gewesen. Mittlerweile hat sich die Technik weiterentwickelt und die Betreiber denken darüber nach, das Depot zusätzlich als Speichermöglichkeit für Abwärme aus Kraft-Wärme- Kopplung zu verwenden, also als sogenannten multifunk- tionalen Speicher. Da knapp 40 Bauplätze in Crailsheim-

Abb. 1 Schema des solaren Nahwärmesystems. Quelle: Solites Gras

Erdsonden-Wärmespeicher 37.500 m3

Detailausschnitt Detai-lAusschnitt

Geovlies Geovlies

GOKGOK GipsG- ip-s

Abb. 2 In den oberen 5 Metern des umgebenden Erdreichs des ESWSP tritt zeitweise Schichtenwasser auf. Um Wärmeverluste zu verhindern, haben die Bohrlöcher hier einen größeren Durchmesser und wurden mit einem Dämmer verhüllt. Quelle: Solites

Hirtenwiesen noch nicht bebaut sind, wird eine abschließende Entscheidung zur Erweiterung frühestens in etwa anderthalb Jahren fallen.

Auf ebener Fläche sonnt es sich besser

In Crailsheim-Hirtenwiesen gab es nicht genug zusammenhängende Dach- fläche für die erforderliche Kollektoranzahl. Aus diesem Grund installierten die Projektbeteiligten rund zwei Drittel der insgesamt 7.410 m2 auf einen Lärmschutzwall. Dieser wurde aus Abbruchmaterial der Kasernengebäude aufgeschüttet. Entsprechend uneben ist die Oberfläche des Walls. Dies spie- gelt sich auch in der unregelmäßigen Anordnung der ersten 13 Kollektorfelder auf dem Ostwall wider. Deren Unterbau besteht aus jeweils zwei Betonbalken, auf denen ein Stahlträger installiert wurde. Bei den restlichen Kollektoren auf dem Westwall entschieden sich die Projektbeteiligten für eine alternative Unterkonstruktion: Sie ließen eine Betonplatte an den Wall gießen und er-

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Abb. 3 Dachintegrierte Kollektorflächen. Quelle: ITW Stuttgart

Abb. 4 Nachverfüllung der oberen Meter des ESWSP mit Dämmer. Die noch übrigen Erdwärmesondenrohre dienen zur horizontalen Verbindung der Rohrleitungen. Quelle: Solites

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Kenndaten

2008 2009 2010

2011 2012

7.410 2.740 2.307 254 2.053

4.700

2.580 707 382 1.129 917 212 49

m2

1.559

5.714

5.714

7.410

MWh

570

1.735

1.785

2.337

MWh

484

674

864

1.342

MWh

0,3

0,4

0

0

MWh

483

673

864

1.342

MWh

2.990

3.497

4.068

3.750

MWh

2.530

2.832

3.197

2.407

MWh

849

779

781

MWh

MWh

MWh

MWh

%

16,2

19,3

21,2

35,8

Kollektorfläche am Jahresende

Wärmelieferung der Kollektoren

Solare Nutzwärme

Solare Nutzwärme in HW I

Solare Nutzwärme in HW II

Wärmemenge „Gesamt ins Netz II“

Wärmelieferung durch Fernwärme

Beladewärmemenge ESWSP

Entladewärmemenge ESWSP

Wärmelieferung Kondensator WP

Wärmeaufnahme Verdampfer WP

Stromverbrauch Wärmepumpe

Solarer Deckungsanteil

Abb. 5 Solare Nahwärmeversorgung in Crailsheim. Quelle: ITW Stuttgart

hielten so eine ebene, plane Fläche. Auf diese wurden die Großkollektoren mit Halteschienen und Halterungen installiert. So entstand ein ästhetischeres Gesamtbild. Vorteile ergeben sich zusätzlich für den Kollektorhersteller: Er erhält eine genauere Flächenangabe und kann die Kollektorfelder exakt produzieren.

Beim solaren Deckungsanteil Zielwert getoppt

Von März 2012 bis Februar 2013 liegt der solare Deckungsanteil des Nahwärme- systems bei 51 %. Damit wurde die Zielmarke von 50 % sogar leicht über- schritten. Für das gesamte Jahr 2012 lag der Wert noch geringfügig darunter (Abb. 5). Woran dies lag, erklärt Janet Nußbicker-Lux vom Stuttgarter Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW Stuttgart), welches die Begleit- forschung und das Monitoring durchführt: „Die Wärmepumpe ist erst seit Februar 2012 in Betrieb. Bis April 2012 hat nur eine geringe Entladung des Erdsonden-Wärmespeichers stattgefunden. Die Monate Januar und Februar

mit einem sehr hohen Wärmeverbrauch konnten also bei der Jahresberechnung nicht vollständig berücksichtigt werden. Außerdem wurde im Sommer neben Crailsheim- Hirtenwiesen zusätzlich das Nahwärmenetz Hirtenwiesen I mit Wärme versorgt. Dies war in unseren ursprünglichen Planungen nicht so vorgesehen.” Bei der Rücklauftem- peratur des Systems sind 35 °C das Ziel, diese wurden bis jetzt noch nicht erreicht. Die einfache Erklärung: Das Wohngebiet, das versorgt wird, ist noch nicht fertig ge- baut. Damit die bereits bewohnten Gebäude genügend Wärme erhalten, ist es erforderlich, dass der entspre- chende Netzstrang komplett betrieben wird und ein Mindestdurchlauf vorhanden ist. Da die Anzahl der Ab- nehmer-Gebäude trotzdem noch zu gering ist, um das Vorlaufwasser genügend auszukühlen, kann die Rücklauf- temperatur noch nicht das angestrebte Niveau erreichen. Eine weitere Ursache sind die Gebäude, die sich noch in der Bauphase befinden. Einzige Wärmeabnehmer sind hier Bauheizungen, für die es keine abgestimmte Rege- lung gibt.

Eine abschließende Beurteilung des solaren Nahwärme- systems in Crailsheim-Hirtenwiesen ist folglich erst in etwa zwei Jahren möglich, wenn das Baugebiet fertig- gestellt ist und weitere Betriebserfahrungen vorliegen. Die Umwandlung des ursprünglich rein für Solarwärme geplanten Erdsonden-Langzeitwärmespeichers in ei- nen multifunktionalen Speicher bietet eine mögliche Zukunftsperspektive. Die Optimierung des solaren De- ckungsanteils und das Monitoring zum Gesamtsystem des Multifunktionsspeichers sind Inhalte eines weite- ren Forschungsprojektes.

Blindgängern den Kampf angesagt

Auf einem ehemaligen Kasernengelände Erdbohrungen durchzuführen, birgt Gefahren. Blindgänger und andere Kampfmittel können sich noch im Erdreich befinden und detonieren. Ein Kampfmittel-Räumdienst löste im Auf- trag der Stadtwerke Crailsheim das Problem. Zunächst analysierte die Spezialfirma ältere Luftaufnahmen des Areals, auf dem Bohrungen für den Erdsonden- Wärmespeicher stattfinden sollten. Diese Aufnahmen lassen erkennen, wo schwerpunktmäßig Kampfmittel abgeworfen wurden. Bereiche, in denen Bombenkrater zu sehen sind, gelten als besonders gefährlich. Die Wahrscheinlichkeit, dass noch nicht explodierte Bom- ben in eine solche Erdvertiefung gerollt sind, ist hier am größten. Risikoreiche Abschnitte durchstrahlten die Experten in Crailsheim mit Spezialgeräten und or- teten größere Metallteile. Diese stellten sich aber als ungefährlich heraus und wurden mit einem Bagger gehoben. Der Vorteil solcher Aushebungen: Mögliche Blindgänger können auf die Schaufel oder flexibel ins Erdreich ausweichen. Dies ist beim punktuellen Druck durch Bohrungen nicht möglich. Die Gefahr einer De- tonation ist hier wesentlich größer. Aus diesem Grund gab es für das Areal, in dem der Erdsondenwärme- speicher installiert wurde, besonders strenge Sicher- heitsvorgaben. In Bereichen, wo nur Baggerarbeiten durchgeführt wurden, mussten Baggerführer und Bau- leiter lediglich an einer Schulung des Kampfmittelbe- seitigungsdienstes des Regierungspräsidiums Stuttgart teilnehmen. Die Kosten für die gesamten Maßnahmen trugen die Stadtwerke Crailsheim.

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Projektorganisation

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) 10177 Berlin

Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Dr.-Ing. Peter Donat
Zimmerstr. 26 – 27
10969 Berlin

Förderkennzeichen

00329607H, 0329607N, 0325998A Impressum

ISSN

0937 – 8367

Herausgeber

FIZ Karlsruhe GmbH · Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Autorin

Birgit Schneider

Titelbild

Das solare Nahwärmesystem in Crailsheim-Hirtenwiesen. Stadtwerke Crailsheim GmbH

Urheberrecht

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Solare Wärme international gedacht

Mit der Energiewende hat die Bundesregierung beschlossen, dass die Energieversorgung Deutschlands bis zum Jahr 2050 überwiegend durch erneuerbare Energien gewährleistet werden soll. So wird etwa mit dem Förderprogramm „Offshore Windenergie“ mit einem Volumen von 5 Milliarden Euro die Realisierung der ersten 10 Offshore-Windparks unter- stützt. Zusätzlich unterstützt das Bundesumweltministerium die deutsche Initiative im EU-Vorhaben „Solar District Heating in Europe“. Hier werden neue Ansätze und Instrumente zur Markteinführung der solaren Nah- und Fernwärme in Europa entwickelt. Ziel ist es,

das vorhandene Potenzial der Solarthermie für die netzgebundene Wärmeversorgung von Wohn- und Industriegebieten weiter zu erschließen. Internationaler Wissens- und Technologie- transfer spielt hier eine wichtige Rolle. Interessant ist in diesem Zusammenhang ein Blick nach Dänemark, welches – auch aufgrund günstiger klimatischer Bedingungen – einen relativ hohen regenerativen Stromanteil hat. Bei guten Windverhältnissen an Sommertagen werden mindestens hundert Prozent des aktuellen Stromverbrauchs regenerativ produziert. Dies hat auch Auswirkungen auf die solare Nah- und Fernwärmeversorgung des Landes. Da auch in Dänemark gesetzlich geregelt ist, dass regenerativ erzeugter Strom Vorrang hat, werden dann die meist mit fossilem Gas betriebenen Blockheizkraftwerke vom Netz genommen. Dem Fernwärmenetz fehlt somit eine Wärmequelle. Nachheizen mit fossilen Gas-Spitzenlastkesseln macht wirtschaftlich keinen Sinn, da in diesem Fall eine Gassteuer von rund 4 Eurocent pro kWh gezahlt werden muss. Die sommerliche Wärmeerzeugung

aus Solaranlagen ist in vielen Projekten die wirtschaftlichste Möglichkeit, die Abwärme der Kraft-Wärme-Kopplung zu ersetzen. In Dänemark versorgen solarthermische Großanlagen überwiegend kleine Fernwärmesysteme. Alle Anlagen bestehen aus bodenmontierten Kollektoren. Es ist geplant, die aktuelle Leistung von 192 MW auf 255 MW in 2015 zu steigern. Trotzdem sollte die Kraft-Wärme-Kopplung vor allem in Schwachwindzeiten, ihren Beitrag zur Wärmeversorgung leisten. Dann sichern Blockheizkraftwerke die Strom- versorgung und mit einer kurzfristigen Erzeugung von Spitzenlaststrom können hohe Erlöse erzielt werden. Große multifunktionale Wärmespeicher bieten eine Möglichkeit,

die entstehende Abwärme zu speichern. Hier ist sogar eine saisonale Wärmespeicherung der sommerlichen Solar- und Überschusswärme bis in den Winter denkbar.

Projektbeteiligte

>> Wissenschaftliche Projektleitung: Solites Steinbeis Forschungsinstitut für solare
und zukunftsfähige thermische Energiesysteme, Stuttgart, Dirk Mangold, mangold@solites.de

>> Projektleitung: Stadtwerke Crailsheim GmbH, Crailsheim, Sebastian Kurz, sebastian.kurz@stw-crailsheim.de

>> Wissenschaftlich-technische Begleitung: Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW), Stuttgart, Dr.-Ing. Janet Nussbicker-Lux, nussbicker@itw.uni-stuttgart.de

Links und Literatur

>>wwww.saisonalspeicher.de/Projekte/AktuelleProjekte | www.solar-district-heating.eu

  • >>  Bollin, E.; Huber, K.; Mangold, D.: Solare Wärme für große Gebäude und Wohnsiedlungen.

    Stuttgart: Fraunhofer IRB-Verl., 2012. 160 S., ISBN 978-3-8167-8752-5, 29,80 Euro (Print),

    23,80 Euro (E-Book), BINE-Fachbuch

  • >>  Bauer, D.; Drück, H.; Heidemann, W. u. a.: Solarthermie2000plus: Wissenschaftlich technische

    Begleitung des Förderprogramms Solarthermie2000plus zu solar unterstützte Nahwärme und Langzeit-Wärmespeicherung. Forschungsbericht. Universität Stuttgart. Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (Hrsg.). Sept. 2012. 36 S., FKZ 0329607P

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    • >>  BINE Informationsdienst berichtet aus Projekten der Energieforschung in seinen Broschürenreihen und dem Newsletter. Diese erhalten Sie im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo

Konzept und Gestaltung: iserundschmidt GmbH, Bonn – Berlin · Layout: KERSTIN CONRADI Mediengestaltung, Berlin

 




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