nt 04 | 2024 Infrastrukturen der Zukunft: Wärmespeicher XXL

Die Entwicklung von Erdbeckenwärmespeichern am Beispiel Dänemark

Per Alex Sørensen

Bereits im Jahr 1979 wurde unter der Leitung von Schweden ein Projekt der Internationalen Energieagentur „Zentrale Solarwärmeanlagen mit saisonaler Speicherung“, durchgeführt (IEA SHC Task 7). Ziel war es, geeignete Langzeitspeicher für das in solarthermischen Großanlagen erzeugte Warmwasser zu finden. Es wurden verschiedene technische Lösungen entwickelt und verglichen.

Der Erdbeckenwärmespeicher in Høje Taastrup, Dänemark. Foto: Ioannis Sifnaios, DTU

Die dänische Entwicklung

Für Dänemark waren Speicherlösungen mit teilweise isolierten Erdbeckenwärmespeichern am vielversprechendsten (Abbbildung 1). Das Konzept wurde in den 80er Jahren an der Dänischen Technischen Universität (DTU) entwickelt. Der Erdaushub wurde bei diesem Konzept für Böschungen und als Bodenausgleich verwendet. Die Speicher wurden mit einer Folie abgedichtet, mit Wasser gefüllt und mit einem isolierten, auf der Wasseroberfläche schwimmenden Deckel abgeschlossen. Das Konzept ermöglichte die Speicherung von Warmwasser aus solarthermischen Anlagen, Abwärme und Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen für die Nutzung in Fernwärmesystemen. Durch erste Pilot- und großtechnische Erdbeckenwärmespeicher konnte der jährliche Solaranteil von den seit 1988 in Dänemark entstehenden solarthermischen Großanlagen zur Fernwärmeversorgung durch Langzeitspeicherung erhöht werden. Die damit im Zusammenhang stehende Materialentwicklung und -erprobung sowie Erfahrungen aus Monitoring und Betrieb dieser Speicher waren Gegenstand mehrerer Forschungs- und Entwicklungsprojekte. ^{[2], [3]}

Abbildung 1: Spezifischer Kostenvergleich von Langzeitwärmespeichern bezogen auf ein Referenzvolumen ^[1]

Im dänischen Elektrizitätssystem beträgt der Anteil der fluktuierenden Stromerzeugung aus Wind und Sonne im Durchschnitt 50 Prozent und zeitweise werden 100 Prozent überschritten. Dies hatte zur Folge, dass in großem Maßstab Wärmepumpen in Fernwärmesystemen eingesetzt werden, um die niedrigen Strompreise zu nutzen. Dadurch wurde einerseits der Anteil von Solarthermie verringert, auf der anderen Seite hat es jedoch die wirtschaftliche Machbarkeit der Einführung von Flexibilität und Sektorkopplung im dänischen Energiesystem erhöht. So entstand ein neuer Markt für Erdbeckenwärmespeicher. Das erste Projekt dieser Systemkonstellation wurde in Høje Taastrup errichtet und basiert auf einem Erdbeckenwärmespeicher, der einer KWK-Anlage in Kopenhagen Flexibilität in der Betriebsweise ermöglicht (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Einbindung des Erdbeckenwärmespeichers (PTES) in Høje Taastrup. Der Erdbeckenwärmespeicher ist mit der Fernwärmeleitung von VEKS verbunden (VEKS – Vestegnens Kraftvarmeselskab). Die maximale Lade- und Entladeleistung beträgt 30 MW. Der Speicher wird mit einer Temperatur von 95 °C geladen und liefert 75 °C heißes Wasser für das Fernwärmenetz von Høje Taastrup. Quelle: VEKS und Høje Taastrup Fjernvarme

Der Speicher in Høje Taastrup erfüllt folgende Aufgaben: die Speicherung von Abwärme, z. B. aus der Müllverbrennung, die Speicherung für Kraft-Wärme-Kopplung zur Erhöhung der Flexibilität des Strommarkts, die Speicherung von Wärme aus Wärmepumpen und Elektrokesseln zur Erhöhung der Flexibilität des Strommarktes sowie Abdeckung von Spitzenlasten und somit Einsparung von Erdgas.

Dies bedeutet die Erhöhung der jährlichen Speicherzyklen und eine bessere Wirtschaftlichkeit, aber auch höhere Temperaturen im Speicher über das ganze Jahr. Wie diese Herausforderungen gemeistert werden, wird im Umsetzungsbericht [4] beschrieben. Eine Liste der in Dänemark bzw. mit dänischer Unterstützung umgesetzten Erdbeckenwärmespeicher zeigt Tabelle 1.

Tabelle 1: Liste der in Dänemark bzw. mit dänischer Unterstützung umgesetzten Erdbeckenwärmespeicher

Das nächste Projekt in der Pipeline ist ein 700.000 m3 großer Erdbeckenwärmespeicher für die Fjernvarme Fyn in Odense, das derzeit in Planung ist.

Künftige dänische Erdbeckenwärmespeicher werden auch eine Rolle bei der Speicherung von Abwärme aus P2X-Anlagen (Produktion von Wasserstoff, Methan, Methanol, Ammoniak usw.) und der Speicherung von geothermischer Tiefenwärme spielen.

Die Rolle von Erdbeckenwärmespeichern in Europa

Die Erdbeckenwärmespeicher-Entwicklungen wurden maßgeblich von PlanEnergi und Ramboll in Dänemark und Solites in Deutschland in Zusammenarbeit mit weiteren Forschungsinstituten, Materiallieferanten und Versorgungsunternehmen vorangetrieben. In den letzten Jahren stieg das Interesse von Versorgungsunternehmen vor allem in Deutschland, Frankreich, Polen und auf dem Balkan. PlanEnergi ist an Projekten in all diesen Ländern beteiligt. Darunter ist auch ein Projekt in Pristina im Kosovo mit einem 380.000 m3 großen Erdbeckenspeicher. Das Projekt in Pristina umfasst neben dem Erdbeckenwärmespeicher auch eine 41 MW Solarthermieanlage, eine Absorptionswärmepumpe und Übertragungsleitungen. Die Kosten werden auf 80 Mio. Euro geschätzt. Bei diesem Projekt ist PlanEnergi Unterauftragnehmer von Clean Energy Solutions aus Österreich.

All diese neuen Projekte erfordern eine enge Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen, Projektentwicklern, Zuliefer- und Versorgungsunternehmen, um vorhandenes Wissen und Erfahrungen auszutauschen und neues Wissen und standardisierte Verfahren für eine effiziente und qualifizierte Systemintegration, die Implementierung und den Betrieb von Erdbeckenwärmespeichern zu entwickeln. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Horizon Europe Projekts TREASURE begonnen, das von AEE INTEC aus Österreich geleitet wird (siehe auch den Artikel "Hochrelevante Forschungen für zukünftige Wärmespeicher-Infrastrukturen" in dieser Ausgabe).

Weiterführende Informationen

^[1] IEA SHC Task 7. Central solar heating plants with seasonal storage. Cost data and cost equations for heat storage concepts. Jean-Christophe Hadorn and Pierre Chuard 1983.

^[2] Schmidt, Sørensen (2018). Monitoring Results from Large Scale Heat storages for District Heating in Denmark. 14th International Conference on Energy Storage, 25-28 April 2018, Adana, Turkey.

^[3] Schmidt, Sørensen (2018). Design Aspects for Large-Scale Aquifer and Pit Thermal Energy Storage for District Heating and Cooling. 14th International Conference on Energy Storage, 25-28 April 2018, Adana, Turkey.

^[4] Sørensen et al (2023). Design and Construction of the Pit Thermal Energy Storage in Høje Taastrup https://planenergi.eu/wp-content/uploads/2024/01/FLEX_TES-Implementationreport_final_23.12.23.pdf

Autor

B.Sc. Per Alex Sørensen ist Projekt-Manager bei PlanEnergi. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!