Experimentelle und numerische Untersuchung der Umweltauswirkungen eines skalierbaren, modularen Wärmespeichersystems

Johannes Nordbeck1, Sebastian Bauer1, Christof Beyer1, Constantin Kinias2, Thomas Vienken3
1 Uni Kiel
2 Scheer Heizsysteme und Produktionstechnik GmbH
3 UfZ Leipzig

O 7.5 in Groundwater temperatures in urban areas - monitoring, managing and understanding anthropogenic influences

23.03.2018, 12:30-12:45, 3

Die geologische Wärmespeicherung kann ein zentraler Aspekt einer Wärmewende als Beitrag zur Energiewende sein, da sie den zeitlichen Versatz zwischen Produktion von Wärmeenergie aus regenerativen Quellen und Wärmebedarf vermitteln und die Wärme saisonal speichern kann.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die simulationsgestützte Planung und Bewertung eines skalierbaren, modularen Wärmespeichersystems vorgestellt und die durch den Betrieb induzierten thermischen Auswirkungen als Wärmeemissionen und Temperaturerhöhung im oberflächennahen Untergrund in Speichernähe quantifiziert. Ein Prototyp dieses Speichersystems wird als Versuchsanlage in Schleswig-Holstein derzeit im Speicherbetrieb getestet. Die Testanlage besteht aus 25 jeweils 1,5 m³ großen Speichermodulen, die in einem 5 mal 5 Raster angeordnet sind. Sie sind jeweils aus einem spiralförmigen Wärmetauscher und einem thermischen Verbundbaustoff als Speichermedium aufgebaut. So kann der Speicher modular flexibel auch als Fundament und im Untergrund eingesetzt werden. Der Testspeicher besitzt Abmessungen von 5 mal 5 m² und ist zwischen 0,25 und 1,85 m Tiefe installiert. Beladen und Entladen wird der Speicher durch ein regelbares Wärmebad mit eingebauter Pumpe. Zur Überwachung des Speichers ist ein Temperaturmonitoring installiert worden, welches Temperaturen innerhalb, seitlich sowie ober- und unterhalb des Wärmespeichers kontinuierlich aufnimmt.

Mit einer Vorlauftemperatur von 60°C wurde der Wärmespeicher während des Testbetriebs 60 Tage beladen. Anhand numerischer Simulationen wurde eine Prognose der thermischen Auswirkungen in der Speicherumgebung und der Wärmeemissionen aus dem Speicher in den oberflächennahen Untergrund erstellt. Diese ergaben einen Wärmeverlust von im Mittel 1500 W, wobei die Hälfte des Wärmeverlusts über die Speicheroberseite anfällt. Ebenso wurde berechnet, dass 5 m unterhalb des Wärmespeichersystems die Temperaturerhöhung im Untergrund 5°C auch langfristig nicht übersteigt.

Die Ergebnisse der Modellsimulationen werden mit den im Testbetrieb bestimmten Werten aus dem Temperaturmonitoring verglichen und dienen somit der Verifizierung der Auswirkungsprognose und der Überprüfung der Speichercharakteristiken wie Speicherraten und Speicherkapazität. Als Vergleichswerte dienen dabei die Temperaturdurchbruchskurven zu allen Seiten des Speichers, sowie die Wärmebilanz über Vor- und Rücklauftemperaturen und Durchflussraten.



Nordbeck J, Beyer C, Bauer S (2017) Experimental and numerical investigation of a scalable modular geothermal heat storage system. Energy Procedia Vol. 125 S. 604-611, DOI 10.1016/j.egypro.2017.08.217.



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