Saisonale Wärmespeicher: attraktiv und dennoch vernachlässigt
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Saisonale Wärmespeicher: attraktiv und dennoch vernachlässigt Prof. Dr. Jörg Worlitschek Lucerne University of Applied Sciences & Arts Tel: + 41 41 349 3957 joerg.worlitschek@hslu.ch www.hslu.ch/tes Aee suisse - Roundtable Forum Energiespeicher Schweiz / 11.05.2022
The Elephant in the Room
Wieviel Prozent des weltweiten
Energieverbrauchs werden für Heizen und
Kühlen verwendet?
2
The Elephant in the Room
Wieviel Prozent des weltweiten
Energieverbrauchs werden für Heizen und
Kühlen verwendet?
50%
3
The Elephant in the Room
Wie gross ist der Anteil der weltweiten CO2
Emissionen auf Basis von Heizen und
Kühlen?
4
The Elephant in the Room
Wie gross ist der Anteil der weltweiten CO2
Emissionen auf Basis von Heizen und
Kühlen?
40%
5
Der Klimawandel ist Real: Heiz- und Kühlbedarf in der Schweiz
Heizbedarf Kühlbedarf
Der Energiebedarf von Schweizer Gebäuden macht Zahl der Haushalte mit Kühlgeräten könnte auf
heute rund 40 % des Gesamtenergiebedarfs aus. über 50 % steigen
Page 6 Source: M. Berger, J. Worlitschek, Energy in Buildings, 2019 & EMPA
Wärme wird heute vorwiegend fossil erzeugt
40%
Erdöl
60%
Fossile
Brennstoffe
20%
Erdgas
Hauptenergieträger für Heizung
Schweiz
Der CO2 -Ausstoss durch Wärme- Russland
erzeugung beträgt in der Schweiz 44%
18 Mio t (von total 48 Mio t)
Herkunft Erdgases
Schweiz
Quelle: BFS, Erhebung der Energieträger von Wohngebäuden & Gazenergie.ch
Zusätzlicher Winterstrombedarf
10 TWh
zusätzlicher
Strombedarf
Energiesystem ohne saisonale Wärmespeicher (STES)
Electrical
grid
Heat Heat
PV PV
Solar Pump Pump
STES
STES
Heiz- Heiz-
Natural
kessel kessel
gas
Sommer Winter
Energiesystem mit saisonalen Wärmespeichern (STES)
Electrical
grid
Heat Heat
PV PV
Solar Pump Pump
STES
STES
Heiz- Heiz-
Natural
kessel kessel
gas
Reduktion
Winterstrombedarf
um bis zu 4 TWhel
Sommer WinterSaisonale Wärmespeicher werden weitgehend ignoriert
Energieperspektiven 2050+
BFE (2021)
Versorgungssicherheit und Klimaschutz
Greenpeace Schweiz (2022)
…
Bildquelle: BFE und Greenpeace SchweizIntegration von Saisonalen Wärmespeichern in das Schweizer Energiesystem und die Energiestrategie
Saisonale Wärmespeicher – Die Technologien sind vorhanden
Sensible Speicher
1 Seasonal tank thermal energy storage (TTES)
2 Borehole thermal energy storage (BTES)
11
3 Near-surface (BTES)
7
4 Foundation Storage (geothermal energy piles)
5 Pit thermal energy storage (PTES)
8
6 Aquifer sensible heat storage (ATES)
10
6
7 Lake as thermal storage
1
5 9 8 Closed storage in lake
4
9 Deep Borehole Geothermal Storage
3
2
10 Vacuum-insulated tank
14 12 im Einsatz Prototyp Labor
11 Hot-water enclosure
Latent heat storage
13 12 Ice latent heat storage
13 Seasonal Latent heat storage
18
14 Latent heat storage (TES)
15 15 HYTES Latent Heat Storage
17 Thermochemical storage
16 16 Adsorption storage
17 Absorption storage
18 Reaction storage
13
Quelle: eigene EinschätzungSaisonale Wärmespeicher – Die Technologien sind vorhanden
- Grossvolumige Speicher
- (>10Ꞌ000 m3, Fernwärme)
- Speicher in Gebäuden &
Überbauungen
- (Grossvolumige saisonale Wärmespeicher
Behälter-Wärmespeicher Erdbecken-Wärmespeicher
(60-80 kWh/m3) (60-80 kWh/m3)
Erdsonden Aquifier und Geospeicher
(15-30 kWh/m3) (30-40 kWh/m3)
Quelle: Solites, Steinbeis-Stiftung Stuttgart 15Geospeicher
Beispiel Bern - Sandsteinschichten im Schweizer Mittelland
EWB – Geospeicher Energiezentrale Forsthaus Bern
• Thermische Leistung: 3–12 MWth
• Tiefe: 200–500 m
• Bohrungen: 3–6
• Kosten: CHF 6.8–13.8 Mio.
Source: ewb.ch, Der Bund & ee-news.ch, 16Aquifier
Beispiel Berlin – Möglichkeiten in der Romandie
Kältespeicher
Berliner Reichstagsgebäude
50 m
Wärmespeicher
300 m
Quelle: BINE Informationsdienst 17Erdsondenfeld – Speicher
Bereits an einigen Orten in der Schweiz umgesetzt
ETH Zürich Hönggerberg, Erdsondenfeld-Speicher
• Thermische Leistung: 5.2 MW (bei 60 W/m)
• Tiefe: 200 m
• Bohrungen: 431 Erdsonden
• Erreichte Jahresarbeitszahl Wärmepumpen: 5.2 – 7.8
• Abdeckung Wärmebedarf: 95%
• Abdeckung Kühlbedarf: 63%
18Erdbeckenspeicher
Möglichkeiten für Kombination mit Müllverbrennungsanlagen
Erdbeckenspeicher Wärmespeicher, Vojens, Dänemark
Volumen: 200Ꞌ000 m3
Solaranteil: 45 – 50%
Jahresproduktion: 28Ꞌ000 MWh
Spitzenleistung: 49 MW
Erstellungskosten: ~0.5 CHF/kWh (28 CHF/m3)
19Behälter Wärmespeicher
Das ecovat Konzept – Möglichkeit für Schweizer Nahwärmenetze
Ecovat Behälter-Wärmespeicher
Volumen: 20Ꞌ000 – 100’000 m3
Speicherkapazität: 1‘900 - 8‘600 MWhth
Speichereffizient: 85-95 % über 6 Monate
Erstellungskosten: CHF 5.9 – 14.5 Mio
Betriebskosten: 15 – 50’000 CHF/Jahr
Quelle: https://www.ecovat.eu/ 20Ökonomische Aspekte
Investitionskosten – Die Grösse bestimmt den Preis
10’000
Investitionskosten je m3 Wasser-equivalent [CHF/m3] Tank (TTES)
Pit (PTES)
Borehole (BTES)
Aquifier (ATES)
1’000
Crailsheim
Rottweil
Ilmenau (GfK) Steinfurt
Kettmannhausen (GfK)
Hannover (HLB)
Stuttgart Hamburg
München
Ottrupgard Berlin-Biesdorf
Eggenstein Chemnitz
Friedrichshafen
100 Neckarsulm-1 Marstal (DK)
Neckarsulm-2
Crailsheim Potsdam
Braedstrup (DK)
Dronninglund (DK)
Marstal-2 (DK)
Rostock
Vojens (DK)Ökonomische Aspekte
Investitionskosten – Die Grösse bestimmt den Preis
10’000
Investitionskosten je m3 Wasser-equivalent [CHF/m3] Tank (TTES)
Pit (PTES)
Hot-water tanks for buildings
20–60 m3 Borehole (BTES)
1Ꞌ100 – 1800 CHF/m3 Aquifier (ATES)
1’000
Crailsheim
>1Ꞌ000 CHF/m3 Rottweil
Steinfurt
Ilmenau (GfK)
Kettmannhausen (GfK)
Hannover (HLB)
Stuttgart Hamburg
München
Ottrupgard Berlin-Biesdorf
Eggenstein Chemnitz
Friedrichshafen
100 Neckarsulm-1 Marstal (DK)
Neckarsulm-2
Crailsheim Potsdam
Braedstrup (DK)
Dronninglund (DK)
Marstal-2 (DK)
Rostock
Vojens (DK)
y = 7568.3x-0.465Saisonale Wärmespeicher – Die Technologien sind vorhanden
- Grossvolumige Speicher
- (>10Ꞌ000 m3, Fernwärme)
- Speicher in Gebäuden &
Überbauungen
- (Behälter Wärmespeicher
Beispiel München – Möglichkeit für Schweizer Überbauungen
Dachkollektoren
Speicher
Überbauung München
Volumen: 5700 m3
24Wärmespeicher für Gebäude
Jennispeicher, Energy4me, Eisspeicher, ….
Heisswassertank im Gebäude Heisswassertank (vacuum-isoliert)
~95°C ~95°C
(Jenni Energietechnik AG) (Hummelsberger Schlosserei GmbH
Sirch Behältertechnik GmbH)
vacuum insulation
Speichertank auf Basis Öltanktechnologie Eisspeicher
~60°C ~0°C
(Energy4me AG) (z.B. Viessmann AG)
25Wärmespeicher in der Forschung
Kleiner und günstiger!
Speicherisolierung für vorhandene Räume
Saisonale Speicher mit Latentmaterialien
(HSLU, Swisspor, Innosuisse GEAS Projekte)
(HSLU, BFE Projekt Hytes)
power grid
PCM capsules
HP
water
Thermochemische Speicher
(EMPA/HSR NAOH basiert)
26Jetzt notwendige Schritte!
Ermittlung des Potenzials der Wärmespeicherung in den Schweizer
Energieszenarien, insbesondere den «Energieperspektiven 2050+»
Das konkrete Potenzial muss erhoben, lokal aufgelöst und als Grundlage für nationale,
kantonale und kommunale Entscheidungen verfügbar gemacht werden.
Koordinierte Raum- und Energierichtplanung zur optimalen Berücksichtigung
von Infrastrukturen zur saisonalen Wärmespeicherung
Es ist zu ermitteln, wo und wie in der Schweiz aus raumplanerischen und geologischen
Überlegungen grosse saisonale Wärmespeicher realisiert und bedarfsgerecht betrieben
werden können.
Realisierung und Förderung konkreter Projekte saisonaler Wärmespeicher in
der Schweiz
So lässt sich das Potenzial mit ersten Anlagen effektiv nutzen. Gleichzeitig können
Erkenntnisse aus dem Praxisbetrieb zur weiteren Optimierung gewonnen werden.
Ausarbeitung von geeigneten Förder- und Vergütungsinstrumenten, um die
Resilienz und Autarkie bei der erneuerbaren Wärmeversorgung zu gewährleisten.
27Danke für’s Zuhören
28Acknowledgements
An die Geldgeber
29Acknowledgements
HSLU - Kompetenzzentrum Thermische Energiespeicher
Sebastian Braulio Robert Nuria Luca Roger William Oliver Ivo
Ammann Barahona Beaufait Duran Brauchli Buck Delgado Fellmann Brand (Zivi)
Nicole
Benjamin Ludger Yumi Dario Damian Reto Adina Janine Lucas
Fenk Fischer Castelli Guarda Gwerder Hendry Hochuli Leiggener Edward
Jorge
Esther Simon Martinez Andreas Patrick Adrian Eva Poppy Yannis
Linder Maranda Garcia Melillo Meyer Müller Odermatt O’Neill Möckli (Zivi)
Rebecca Philipp Lukas Louis David Philipp Rupali Anastasia Cyrill
Ravotti Roos Roth Schibli Schiffmann Schütz Deshmukh Stamatiou Strassburg (Zivi)
Johan Marcel Willy Silvan Remo Jörg Roger Richard Timo
Stenqvist Troxler Villasmil von Arx Waser Worlitschek Zimmermann Lüchinger Unternährer (Zivi)
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