Universität Stuttgart
Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW)
Forschungs- und Testzentrum für Solaranlagen (TZS)

 

Verbundvorhaben: Oberirdische Speicher in Segmentbauweise für Wärmeversorgungssysteme (OBSERW)
Motivation

Wärmeüberschüsse sind bei Versorgungssystemen mit Kraft-Wärme-Kopplung und Solarthermie sowie bei industriellen Prozessen in einem sehr großen Umfang vorhanden. Über die Speicherung, kann diese Wärme zu einer späteren Zeit Verbrauchern zugeführt werden. Über diese verzögerte Wärmenutzung lassen sich der Brennstoffnutzungsgrad und der Anteil von erneuerbaren Energiequellen in der Energieversorgung signifikant erhöhen.

Deswegen werden leistungsfähige Speicher mit günstigen Investitionskosten benötigt. Neben den energetischen Anforderungen können Speicher systemdienliche Leistungen (Druckhaltung, Notbetrieb usw.) erbringen, die zukünftig von sehr hoher Bedeutung sein werden.

Ziel des Verbundvorhabens

Im Projekt wurde ein neuartiger oberirdischer Tankspeicher für den Bereich 500 bis 6000 m³ entwickelt. Die erstmalige Anwendung der Segmentbauweise bei Wärmespeichern (bis 98 °C) erforderte die Überwindung signifikanter technischer Probleme. Beispielsweise fehlten bisher eine temperaturbeständige Dichtung der Segmente und konstruktive Lösungen. Darüber strebten die Projektpartner folgende Merkmale an:

  • sehr hohe Funktionalität (z. B. niedrige Verluste, hohe Ladeleistungen, dauerhafte Dichtheit, Erhalt der Wasserqualität),
  • relativ niedrige Speichererrichtungskosten,
  • minimaler Materialeinsatz,
  • rationeller Umsetzungsprozess,
  • Einsatz an vielen unterschiedlichen Orten bzw. ein breites Feld an Anwendungsmöglichkeiten,
  • leichte Anpassung an den Kurzzeit- bis Langzeit-Speicherbereich.
Förderung

Das Projekt wird im Rahmen der Energiespeicherinitiative der Bundesregierung gefördert.

Energiespeicher für stationäre und mobile Anwendungen - eine Initiative des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung

Projektmanagement

Projektträger Jülich
Förderkennzeichen: 03ET1230 A/B/C

Koordination und
Leitung Teilprojekt
Begleitforschung A
Leitung Teilprojekt
Begleitforschung B
Leitung Teilprojekt
Praxisnahe  Entwicklung und Demonstration
Projektablauf
und -inhalte
Industriepartner
Für die oben genannte Speicherentwicklung müssen folgende Hauptaufgaben bearbeitet werden:
  • Test von Dicht- und Wärmedämmstoffen sowie Wandaufbauten,
  • Weiterentwicklung von Be- und Entladesystemen inklusive hydraulischer Integration,
  • vollkommene Überarbeitung der Speicherkonstruktion und der Bautechnologie,
  • Entwicklung eines Demonstrators und praxisnaher Test aller Komponenten,
  • Durchführung von flankierenden Maßnahmen zur Verbesserung der Planung und Berechnung sowie Simulation,
  • Öffentlichkeitsarbeit.

Projektlaufzeit: 01.11.2014 - 31.05.2018

Erläuterung der Technik
In Wärmeversorgungssystemen mit Vorlauftemperaturen unter 100 °C können große (oberirdische) Wärmespeicher vorteilhaft als Flachbodentank (Abb. 1) ausgeführt werden. Die kompakte Form ermöglicht sehr niedrige Errichtungskosten und Wärmeverluste.
Eine interessante Alternative zur geschweißten Wand ist Fertigung mit verschraubten Segmenten (Abb. 2, Abb. 3). Viele Projekte mit großen Kaltwasserspeichern zeigten in den letzten Jahren die praktischen Vorteile dieser Speicherbautechnologie:
  • flexible Anpassung der Speichergröße und -form,
  • hohe Dynamik der Be- und Entladeleistung,
  • effektive Nutzung des Speichervolumens mit Schichtungsbetrieb und Einhaltung der geplanten Entladetemperaturen,
  • eine gute Anpassung an den jeweiligen Einsatzfall (Stadtwerke, Nahversorgungssysteme, Industrie),
  • eine schnelle und rationelle Errichtung mit minimaler Materialeinsatz,
  • niedrige Folgekosten (einfache Zulassung, Betrieb, Überwachung usw.),
  • Möglichkeit zur Reparatur (gegenüber unterirdischen Speichern),
  • sehr gute Qualitätskontrolle in der Vorfertigung und auf der Baustelle.
Ein wesentliches Problem bestand darin, dass die oben beschriebene Speicherkonstruktion nicht auf hohe Temperaturen (bis 98 °C) übertragbar war. Dieses und weitere Herausforderungen wurden im Projekt gelöst. Der Projektplan sah zum Nachweis die Errichtung eines Demonstrators (Pilotspeicher zu praktischen Testzwecken) vor.
Aktueller Stand und Ergebnisse

Die Ergebnisse aus den Materialtests (Dichtung, Wärmdämmung usw.) und den praxisnahen Versuchen zum Wandaufbau wurden in eine neuartige Speicherkonstruktion überführt. Parallel fanden eine umfassende Überarbeitung und Optimierung der Be- und Entladesysteme statt. Erstmals wurde diese Speicherkonstruktion im kleinen Maßstab (ca. 100 m³) - dem Demonstrator (Abb. 4) - in Nortorf (Standort der Fa. farmatic tank systems) umgesetzt. Die ersten Kalt- und Heißtest verliefen erfolgreich. In den folgenden Monaten stehen umfangreiche Test, Detailuntersuchungen und Optimierungen an. Nach derzeitigem Projektstand lässt sich die neue Entwicklung auf größere Speicher übertragen.

 

Detaillierte Ergebnisse und wichtige Zusammenhänge liefern die unten genannte Veröffentlichungen.

 

Am 17.05.2017 fand der Abschluss-Workshop zum Verbundvorhaben in Nortorf statt. Es wurden die wichtigsten Ergebnisse und der Demonstrator vorgestellt. Der Abschlussbericht erscheint in Kürze.

Links & Literatur
Ergebnisse und Veröffentlichungen

Die Ergebnisse werden mit dem Fortschritt des Projektes veröffentlicht.

Bei Bedarf wenden Sie sich bitte per E-Mail an die Autoren.


Urbaneck, T.; Platzer, B.: Overground storages in segmental construction for district heating systems (OBSERW) - Project overview. Greenstock, 13th International Conference on Thermal Energy Storage, Peking (China), 2015.

Gerschitzka, M.;  Marx, R.; Lang, S.;  Bauer, D.; Drück, H.: New developments related to thermal insulation materials and installation techniques for over ground seasonal thermal energy stores. Greenstock, 13th International Conference on Thermal Energy Storage, Peking (China), 2015

Lang, S.; Marx, R; Gerschitzka, M.; Drück, H.; Urbaneck, T.; Mücke, J; Hoffmann, F.; Gebhardt, S.; Beyer, R.: Hot water stores in segmental construction: adhesive strength between sealing materials and segment coatings. Book of Abstracts, The Energy and Material Research Conference (EMR2017), Lisbon, Portugal, 2017.

Lang, S.; Bauer, D.; Drück. H.: Neue Untersuchungen zu Wärmedämmstoffen für thermische Energiespeicher. 5. Fachforum Thermische Energiespeicher, Ostbayerisches Technologie Transfer Institut e.V. (OTTI), Regensburg (Hrsg.), 2016, Tagungsband, S. 53-55.

Urbaneck, T.; Findeisen, F.; Mücke, J.; Marx, R.; Lang, S.; Bauer, D.; Rohde, T.; Hoffmann, F.; Gebhardt, S.; Fischer, M.; Beyer, R.: Oberirdische Tankspeicher in Segmentbauweise (OBSERW) – Vorstellung des Projektes. 5. Fachforum Thermische Energiespeicher, Ostbayerisches Technologie Transfer Institut e.V. (OTTI), Regensburg (Hrsg.), 2016, Tagungsband, S. 93-100.

Urbaneck, T.; Platzer, B.; Findeisen, F.: Warmwasserspeicher – Stand der Technik und Entwicklungen. HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik Springer 67. Jg. (2016) Heft 07-08 S. 16-21. - ISSN 1436-5103

Findeisen, F.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Radiale Diffusoren in Warmwasserspeichern – Funktionale Optimierung mittels CFD; Teil 1 Grundlagen und Modellierung. HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik Springer 67. Jg. (2016) Heft 10 S. 20-28. - ISSN 1436-5103

Urbaneck, T.; Findeisen, F.; Mücke, J.; Lang, S.; Marx, R.; Hoffmann, F.; Gebhardt, S.;  Beyer, R.: OBSERW – Tankspeicher in Segmentbauweise. Sonnenenergie (2016) H. 5 S. 56-57. ISSN 0172-3278

Findeisen, F.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Radiale Diffusoren in Warmwasserspeichern – Funktionale Optimierung mittels CFD; Teil 2 Optimierung des Be- und Entladeverhaltens. HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik Springer 68. Jg. (2017) Heft 2 S. 25-33. - ISSN 1436-5103

Findeisen, F.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Radiale Diffusoren in Warmwasserspeichern – Funktionale Optimierung mittels CFD; Teil 3: Detaillierte Untersuchung des Beladeverhaltens. HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik Springer 68. Jg. (2017) Heft 6 S. 19-27. - ISSN 1436-5103

Gerschitzka, M.;  Schmidt, D.; Bestenlehner, D.; Marx, R.; Drück, H.: Thermal performance testing of outdoor hot water stores for long-term thermal energy storage. In: International Solar Energy Society (Hrsg.): ISES Solar World Conference 2017 and the IEA SHC Solar Heating and Cooling. Freiburg, 2018, S. 742-752. - ISBN 978-3-9814659-7-6 doi:10.18086/swc.2017.13.06

Urbaneck, T.; Findeisen, F.; Mücke, J.; Platzer, B.; Gerschitzka, M.; Lang, S.; Bestenlehner, D.; Drück, H.; Herrmann, T.; Beyer, R.: Development of Overground Hot Water Stores in Segmental Construction for Solar and District Heating Systems Within the Project OBSERW. In: International Solar Energy Society (Hrsg.): ISES Solar World Conference 2017 and the IEA SHC Solar Heating and Cooling. Freiburg, 2018, S. 790-797. - ISBN 978-3-9814659-7-6 doi:10.18086/swc.2017.13.11

Findeisen, F.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Radial Diffusers in Stratified Hot Water Stores: Geometry Optimization with CFD. In: International Solar Energy Society (Hrsg.): ISES Solar World Conference 2017 and the IEA SHC Solar Heating and Cooling. Freiburg, 2018, S. 726-734. - ISBN 978-3-9814659-7-6 doi:10.18086/swc.2017.13.04

Mücke, J.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Versuchsstand zum praxisnahen Test von Wandaufbauten für thermische Energiespeicher – Materialuntersuchung des Einblasdämmstoffs aus Polyurethan-Hartschaum-Partikeln. 24. Energie - Symposium Nutzung regenerativer Energiequellen und Wasserstofftechnik; Luschtinetz, T.; Lehmann, J. (Hrsg.), Stralsund, 2017, Tagungsband, S. 73-81. – ISBN 978-3-9817740-3-0

Urbaneck, T.; Findeisen, F.; Mücke, J.; Platzer, B.; Gensbaur, M.; Lang, S.; Bestenlehner, D.; Drück, H.; Herrmann, T.; Beyer, R.: Performance of Overground Hot Water Stores in Segmental Construction for Solar and District Heating Systems. 5th International Solar District Heating Conference, Graz (Österreich), 2018

Findeisen, F.; Kroll, U.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Radial Diffusers in Stratified Hot Water Stores: Simulation of Three-Dimensional Flow Behavior with CFD. 5th International Solar District Heating Conference, Graz (Österreich), 2018

Mücke, J.; Urbaneck, T.; Platzer, B.: Experimental Identification of Effective Thermal Conductivities in Wall Constructions with Blow-In Insulation for Thermal Energy Storage Tanks in Segmental Construction. 5th International Solar District Heating Conference, Graz (Österreich), 2018

Findeisen, F.: Radiale Diffusoren in Warmwasserspeichern - Einfluss des Beladesystems auf Strömungsverhalten und Schichtungsqualität. Dissertation, TU Chemnitz, 2018, ISBN 978-3-9811424-7-1

Findeisen, F., Urbaneck, T., Platzer, B.: Radiale Diffusoren – Untersuchung des dreidimensionalen Strömungsverhaltens mittels CFD (Teil 1). Chemie Ingenieur Technik. doi:10.1002/cite.201700023

Findeisen, F., Urbaneck, T., Platzer, B.: Radiale Diffusoren – Untersuchung des dreidimensionalen Strömungsverhaltens mittels CFD (Teil 2). Chemie Ingenieur Technik. doi:10.1002/cite.201700070

Urbaneck, T.; Mücke, J. M.; Findeisen, F.; Gensbaur, M.; Lang, S.; Bestenlehner, D.; Drück, H.; Herrmann, T.; Pieper, K.; Beyer, R.: Entwicklung eines Warmwasserspeichers in Segmentbauweise für Solar- und Fernwärmesysteme. Symposium Solarthermie – Technik für die Energiewende, Staffelstein, Conexio, Pforzheim (Hrsg.), 2018, S. 183-202 (Tagungsband als PDF).

Findeisen, F., Urbaneck, T., Platzer, B.: Radiale Diffusoren – Untersuchung des dreidimensionalen Strömungsverhaltens mittels CFD (Teil 3) Chemie Ingenieur Technik. doi:10.1002/cite.201700126

Urbaneck, T.; Mücke, J. M.; Findeisen, F.; Gensbaur, M.; Lang, S.; Bestenlehner, D.; Drück, H.; Beyer, R.; Pieper, K.: Demonstration of an Overground Hot Water Store in Segmental Construction for District Heating Systems. In: International Solar Energy Society (Hrsg.): 16th International Symposium on District Heating and Cooling (DHC2018). Hamburg, 2018, S. 615-624. – ISBN 1876-6102 DOI: 10.1016/j.egypro.2018.08.226
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