nt 04 | 2024 Infrastrukturen der Zukunft: Wärmespeicher XXL
Hochrelevante Forschungen für zukünftige Wärmespeicher-Infrastruktur
Franz Hengel, Thomas Riegler, Wim van Helden, Christian Fink
Wärmebedarf von Wärmenetzen in Europa
Europa ist im Wandel: Auf dem Weg zur Einhaltung der Klimaschutzziele oder hinsichtlich resilienter Energieversorgung werden Programme wie Fit for 551, der European Green Deal oder REPowerEU vorangetrieben, um Wege für ein sauberes Europa zu ebnen2. Jedoch bringt die Integration von volatiler Erneuerbarer Energie (EE) auch Herausforderungen mit sich. Um diesen Herausforderungen entsprechend zu begegnen, sind Speicherlösungen in mehrerlei Hinsicht ein wichtiger Faktor. Zum einen können dadurch Lastspitzen netzdienlich ausgeglichen werden, und zum anderen ermöglichen sie saisonalen Ausgleich und somit hohe Anteile an erneuerbaren Energieträgern im Energiesystem.
Urbane Fernwärmenetze zur Wärmeversorgung von Haushalten, öffentlichen Gebäuden sowie Industrie und Gewerbe sind von diesen Entwicklungen stark betroffen, da die benötigte Energie aktuell überwiegend mit Hilfe fossiler Energieträger bereitgestellt wird. Für den Umstieg auf ein Versorgungsportfolio basierend auf erneuerbaren Energien und Abwärmen sind in Ergänzung zu den aktuell in der Branche vorherrschenden oberirdischen Behälterspeicher jedoch neuartige Wärmespeicher notwendig, welche die im Sommer im Überschuss verfügbare Wärme in die Wintermonate transferieren können.
Die benötigte Kapazität an Wärmespeichern ist enorm. Basierend auf einem prognostizierten europäischen Fernwärmebedarf von 1 780 TWh im Jahr 20503,4 (EuroHeat and Power, 2018) und der Annahme, dass rund 5 bis 15 Prozent des jährlichen Wärmebedarfs zwischengespeichert werden müssen, ergibt sich eine notwendige Speicherkapazität von rund 90 bis 270 TWh, was insgesamt 22 500 bis 67 500 Großwärmespeicher mit jeweils 100 000 m³ Wasseräquivalent5 erfordert.
Großwärmespeicher als Forschungsschwerpunkt der Internationalen Energieagentur
Experten im Energy Storage Technology Collaboration Programme der Internationalen Energieagentur (IEA) forcieren bereits seit geraumer Zeit die kollaborative Technologieentwicklung bei Großwärmespeichern. Bereits im Jahr 2020 wurde unter österreichischer Leitung (AEE INTEC) eine internationale Arbeitsgruppe (IEA ES Task 39) ins Leben gerufen, welche sich einerseits über die unterschiedlichen Entwicklungen auf Länderebene zu unterschiedlichen Technologien (Erdtank-, Erdbecken, Erdsonden- und Aquiferspeicher), Baukonzepten und Simulationsmodellen ausgetauscht, sowie andererseits eine umfangreiche gemeinsame Datensammlung auf Material- und Komponentenebene erstellt hat. Im Jahr 2024 wurde das Arbeitsprogramm diese Gruppe weiter vertieft und die Zusammenarbeit für weitere vier Jahre (IEA ES Task 45) prolongiert. Erklärtes Ziel des ebenfalls unter österreichischer Leitung (AEE INTEC) stehenden Task 45 ist neben der Fortführung der Aktivitäten im Bereich Test-, Spezifikations- und Simulationsmethoden für unterschiedliche Speichertechnologien die Kooperation und Vernetzung mit Vertreter*innen von konkreten Pilotspeicherprojekten sowie von Forschungsprojekten in unterschiedlichen Teilen der Welt.
Ein zentraler Schwerpunkt des Task 45-Arbeitsprogramms ist die Zusammenarbeit mit drei im Jahr 2024 gestarteten Horizon Europe Projekten, von denen sich jedes mit der Demonstration von unterschiedlichen Großwärmespeichertechnologien beschäftigt. So setzt das Projekt TREASURE den Schwerpunkt auf die Demonstration von Erdtank- und Erdbeckenspeicher, das Projekt USES4HEAT6 auf Erdsonden- und Aquiferspeicher sowie das Projekt INTERSTORES7 auf die Umsetzung von unterirdischen Kavernenspeichern.
Von AEE INTEC geleitetes EU-Projekt setzt Fokus auf Erdtank- und Erdbeckenspeicher
Das Horizon Europe-Projekt TREASURE8 (Demonstrating large underground tank/pit thermal energy storages and improving their components, processes and procedures for an accelerated realisation of 100% sustainable district heating networks in Europe) besitzt mit fünf österreichischen Projektteilnehmer*innen (AEE INTEC als Koordinatorin, Wien Energie, Porr Tiefbau, SOLID Solar Energy Systems, Energieinstitut an der JKU) und einem österreichischen Pilotspeicher (Erdtankspeicher mit 40 000 m³ für die Fernwärme Wien) einen starken Österreichbezug und wird deshalb nachfolgend kurz vorgestellt.
Das bis Ende 2027 laufende Großforschungsprojekt hat 23 Partner (Fernwärmenetzbetreiber, Tiefbauunternehmen, Anlagenbauer, Technologieanbieter, Branchenvertreter, Energieökonomen, Forschungseinrichtungen) und weist ein Projektbudget von rund 11 Millionen Euro auf.
Erklärtes Ziel ist es, die Planungs- und Umsetzungsteams von sieben Pilotspeichern mit insgesamt rund 1,13 Millionen Kubikmetern in fünf europäischen Ländern mit wissenschaftlicher Expertise und Methoden sowohl in der Designphase als auch bei der Umsetzung sowie bei der Überführung in einen Routinebetrieb zu unterstützen. Sehr unterschiedliche Rahmenbedingungen an den sieben Standorten (Erzeugungsportfolio und Speicherintegration, bestehende Standortstrukturen, Erdreichspezifikation, Grundwasservorkommen, Genehmigungsverfahren, Flächenverfügbarkeit, etc.) erfordern sehr unterschiedliche Speicherkonzepte und somit unterschiedliche inhaltliche Bearbeitungsschwerpunkte, wie die Inhalte in Tabelle 1 und die nachfolgenden Aufzählungen deutlich illustrieren:
- Diese Diversität an Speicherkonzepten und Materialien erfordert den Einsatz von unterschiedlichen Simulations- und Bewertungsmethoden (dynamische Speicher- und Anlagensimulation, Co-Simulation, CFD- und FEM-Berechnungen, etc.)
- Entwicklung eines weitestgehend standardisierten Prozesses zur Digitalisierung der Bauphase und der Betriebsphase bis zum Ende des Lebenszyklus als Basis zur Systemoptimierung sowie Kreislaufführung (Rückbau und Recycling)
- Definition und Anwendung von ökologischen sowie betriebs- und volkswirtschaftlichen Bewertungsindikatoren über den gesamten Lebenszyklus
- Entwicklung und Anwendung von Konzepten zur Qualitätssicherung und Risikominimierung bei Planung, Bau und Betrieb von unterschiedlichen Großwärmespeicherausführungen, inklusive Konzepten zum energetischen Monitoring sowie der Validierung von Simulationsmodellen basierend auf Messdaten
Darüber hinaus unterstützt das TREASURE-Projektteam basierend auf den Erkenntnissen und generierten Methoden des Projektes 16 weitere europäische Pilotspeicherprojekte, die sich in einer früheren Planungsphase befinden, sogenannte „Satelliten-Initiativen für Großwärmespeicher“. Durch gezielten Austausch und Kooperation können Prozesse beschleunigt, Fehlerquellen minimiert, Netzwerke etabliert und insgesamt die Lernkurve für die Technologien Erdtank- und Erdbeckenspeicher erhöht werden.
Fazit
Großwärmespeicher zeigen sich als hochrelevante Infrastrukturen in einem Energiesystem ohne fossile Energieträger. Deren Bedeutung und Relevanz zeigen aktuell zahlreiche in ganz Europa in Entwicklung bzw. in Umsetzung befindliche Pilotprojekte. Da es sich dabei um große, kostenintensive Infrastrukturprojekte mit langen Vorbereitungs- und Umsetzungszeiten handelt, gleichzeitig aufgrund der kleinen Anzahl an bisher umgesetzten Speichern aber noch kein belastbarer Stand der Technik vorliegt, ist maximale Erkenntnisgenerierung aus jedem einzelnen Projekt und die Forcierung des Austausches auf internationaler Ebene essenziell. Nationale und auch europäische Forschungsprojekte und deren Verzahnung auf internationaler Ebene wie z. B. der Internationalen Energieagentur sind die Eckpfeiler der Technologieentwicklung und der Beschleunigung der weltweiten Lernkurve. Österreichische Unternehmen und Forschungseinrichtungen sind, nicht zuletzt auch aufgrund der langen Tradition österreichischer Unternehmen in den Branchen Anlagenbau und Tiefbau, in dieser Entwicklung treibende Kräfte. Gleichzeitig sind die heimischen Akteur*innen dadurch für die Generierung von Technologiesouveränität und Wertschöpfung durch Ausrollung auf nationaler, europäischer und internationaler Ebene ausgezeichnet positioniert.
Erdbeckenspeicher in Lidzbark Warminski, Polen, mit 15 000 m³ Speicherinhalt. Foto: Euros Energy
Kommentare
„Wärmespeicher sind im Stande, eine der zentralen Herausforderungen im Bereich der Energiewende zu lösen: die zeitliche Entkopplung von Erzeugung und Verbrauch. Durch aktuelle Technologieentwicklungen und innovative Demonstratoren wird ein wesentlicher Beitrag zur Sektorenkopplung erarbeitet, indem eine flexible Verbindung zwischen dem Wärmesektor mit anderen Bereichen hergestellt wird. Bis hin zur saisonalen Speicherung ermöglichen innovative Wärmespeichertechnologien die Nutzung von Abwärme sowie die Abdeckung von Spitzenlast.“
Volker Schaffler, Leiter der Abteilung III/3 Energie- und Umwelttechnologien im Österreichischen Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie. Foto: ÖGUT
„Große Wärmespeicher sind essenzielle Bausteine zum Phase-out von fossilen Energieträgern in der zukünftigen Fernwärmeversorgung. Da Technologien wie unterirdische Tank- und Beckenspeicher sowie Aquifer-, Kavernen- und Sondenspeicher noch keine Produkte von der Stange sind, ist es von besonderer Bedeutung, anhand der ersten Pilotprojekte zu lernen und das Wissen zu transferieren. Aus der Sicht der AGFW sind Initiativen wie das EU-Projekt TREASURE von hoher Relevanz und werden gerne unterstützt.“
Heiko Huther, Bereichsleiter Forschung & Entwicklung, AGFW | Der Energieeffizienzverband für Wärme, Kälte und KWK e.V., Deutschland. Foto: AGFW
Weitere Informationen
1 https://www.consilium.europa.eu/de/policies/green-deal/fit-for-55/
2 https://energy.ec.europa.eu/document/download
3 https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/4e28b0c8-eac1-11ec-a534-01aa75ed71a1/language-en auf Seite 27ff basierend auf Daten von 2018
4 https://api.euroheat.org/uploads/DHC_Market_Outlook_2022_637abcb43e.pdf auf Seite 12
5 Berechnung der Wasseräquivalenz aus dem gegebenen Energieinhalt basierend auf einer Temperaturdifferenz von 35 K (z. B. 90 °C auf 55 °C) mit dem Medium Wasser
8 https://www.treasure-project.eu/
Autoren
Dipl.-Ing. Franz Hengel ist stv. Leiter der Forschungsgruppe "Thermische Energiespeicher" und im Projekt Treasure für Modellbildung und Simulation zuständig. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Thomas Riegler, MSc. ist Leiter der Forschungsgruppe "Thermische Energiespeicher" bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!.
Dr. Wim van Helden ist Senior Expert Wärmespeichertechnologien bei AEE INTEC und leitet die Projekte Treasure und IEA ES Task 45. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Ing. Christian Fink ist Geschäftsführer von AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!