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Ein Demonstrator in Nortorf, Schleswig-Holstein fasst etwa 100 m³ und kann mit einer Leistung von bis zu 230 kW be- und entladen werden.
© T. Urbaneck, TU Chemnitz
Speicher für Wärmenetze
Projektinfo 10/2018

Schematischer Aufbau des Demonstrators
© T. Urbaneck, TU Chemnitz

Aufbau der Speicherwand: Das Verkleidungsblech ist über thermisch entkoppelte Edelstahl-Streifen mit den verschraubten Segmenten verbunden. Der Zwischenraum wird durch eine Polyurethan-Schüttung gedämmt.
© T. Urbaneck, TU Chemnitz
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Große Wärmespeicher kostensparend errichten

Wissenschaftler erproben einen großen oberirdischen Warmwasserspeicher, der durch die Bauweise mit vorgefertigten Stahl-Segmenten geringere Herstellungskosten hat als vergleichbare Konstruktionen. Das Forschungsprojekt OBSERW baut auf den Erfahrungen mit einem großen altwasserspeicher auf, der sich seit über 10 Jahren im Fernkältenetz der Stadt Chemnitz bewährt. Das in Form und Größe flexible Bauprinzip konnte erstmals auf Warmwasserspeicher übertragen werden, die hohen Temperaturenund Temperaturwechseln standhalten müssen.

Oberirdische Kaltwasserspeicher mit emaillierten und eingedichteten Segmenten lassen sich kostengünstig herstellen und funktionieren zuverlässig. Dies hat der Bau und langjährige Betrieb eines großen Tankspeichers für das Fernkältenetz der Stadt Chemnitz gezeigt. Um die Segmentbauweise auch für Wärmespeicher nutzbar zu machen, hat ein Konsortium aus Forschung und Industrie das Konstruktionsprinzip, zusammen mit einer Vielzahl von Detaillösungen, weiter entwickelt. Wir haben die komplexe Aufgabenstellung in einem dreistufigen Verfahren bearbeitet“, erläutert Prof. Thorsten Urbaneck, der das Verbundprojekt koordinierte. „Ausgehend von Werkstoffuntersuchungen in kleinem Maßstab über Laboruntersuchungen von Komponenten haben wir letztlich alle Teilergebnisse zusammengeführt und an einem Pilotspeicher erprobt.“ Dieser Demonstrator wurde in Nortorf, Schleswig-Holstein errichtet. Er fasst etwa 100 m3 und kann mit einer Leistung von bis zu 230 kW be- und entladen werden. „Perspektivisch können wir Speichergrößen zwischen 500 bis 6.000 m³ realisieren“, erklärt Thorsten Urbaneck. Zusammen mit den niedrigen Wärmeverlusten und einer stabilen Temperaturschichtung erschließen sich dadurch viele Einsatzmöglichkeiten, sowohl für Kurzzeit- als auch Langzeit-Speicherzyklen. In Solar- und Fernwärmesystemen kann der Speicher zur Druckhaltung beitragen und so Systemdienste erbringen. Entwicklungsziele waren zudem niedrige Investitions- und Betriebskosten.

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Konstruktionsmerkmale im Überblick

Im Vergleich zu existierenden Flachbodentanks und Kaltwasserspeichern wurde das Konstruktionskonzept grundlegend überarbeitet. Der oberirdische Tankspeicher besteht aus verschraubten Stahlsegmenten. Das Speicherwasser ist unten durch druckbelastbare Schaumglasplatten thermisch vom Betonfundament getrennt. Auch die Wand und die Schwimmdecke sind zur Vermeidung von Wärmeverlusten gedämmt. Die Stärke der Wärmedämmschicht lässt sich entsprechend den Anforderungen anpassen. Der Demonstrator wird, wie es für die Kurzzeitspeicherung in Netzen mit Kraft- ärme-Kopplung üblich ist, mit zwei radialen Diffusoren nach dem Verdrängungsprinzip be- und entladen. Diese sorgen durch eine radiale Querschnittserweiterung für einen Abbau der zunächst hohen Strömungsgeschwindigkeiten, wodurch sich warmes und kaltes Wasser kaum vermischen und die Temperaturschichtung im Speicher erhalten bleibt. Eine Besonderheit ist die Freiformgestaltung des radialen Diffusors mit sehr niedrigen Druckverlusten. Damit wird eine Unterschreitung des Dampfdruckes im Belader vermieden und es ist eine Entladung bis zu ca. 98 °C möglich. Die gleiche Konstruktion eignet sich auch für solarthermische Systeme mit variablen oder konstanten Vorlauf-Temperaturen. Prinzipiell sind Speichervolumina von bis zu 6.000 m³ sowie Be- und Entladeleistungen von bis zu 56 MW möglich. Ein Einsatz zur Langzeit-Speicherung kommt auch in Frage.

Das Druckniveau im Dachraum des Speichers entspricht dem Umgebungsdruck. Die maximale Speichertemperatur wird durch den Siedepunkt des Wassers bestimmt. Das heißt, der Speicher ist nicht für klassische Primärnetze mit Vorlauf-Temperaturen von über 100 °C konzipiert. Dieser Beschränkung stehen jedoch gewichtige Vorteile gegenüber: Druckbehälterkonstruktionen mit starken Stahlwänden sind nicht notwendig. Kostengünstig können große Speichervolumina mit guterWärmedämmung und kleinem Oberflächen-Volumen- Verhältnis hergestellt werden. Dies mindert die externen Wärmeverluste. Auch der Aufwand für Verrohrung und Instrumentierung ist gering.

Ein besonderes Augenmerk lag auf der Abdichtung der Segmente und der Schraubverbindungen. Der Dichtstoff muss hohen Wassertemperaturen und wechselnder Temperaturbeanspruchung dauerhaft standhalten. Auch die Beherrschung von Wasserdampf- und Sauerstoffdiffusion stellte eine Herausforderung dar. Ebenfalls mussten Lösungen zur Minimierung von Wärmebrückengefunden werden.

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Adressen

Praxisnahe Entwicklung und Demonstration
farmatic tank systems

Koordination/Wissenschaftliche Begleitung
TU Chemnitz, Fakultät für Maschinenbau

Wissenschaftliche Begleitung
Universität Stuttgart, IGTE

Service

BINE-Projektinfo 10/2018
(PDF, 4 Seiten, 231 kB)

Links

OBSERW
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