Geothermie-Nachrichten

Von Dr.-Ing. Thorsten Urbaneck, Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Platzer, Dr.-Ing. Ulrich Schirmer (TU Chemnitz) | Online seit dem 26.05.2010

Bei Nah- und Fernkältesystemen besteht in vielen Fällen ein Bedarf zur Systemoptimierung. Das betrifft insbesondere die Leistungsanpassung, das Betriebsverhalten, die Kosten (Investition, Betrieb, Erhaltung) sowie die ökologischen Aspekte.

Dieser Artikel ist im bbr-Sonderheft Oberflächennahe Geothermie 2009 erschienen. Das 94-seitige Heft kann zusammen mit dem Sonderheft 2010 zum gleichen Thema beim Verlag wvgw direkt bestellt werden

Den prinzipiellen Aufbau von Nah- und Fernkältesystemen zeigt Abbildung 1. Dabei ist der Einsatz von thermischen Energiespeichern berücksichtigt. Kaltwassererzeuger (maschinelle Kühlung) werden in der Regel mit Kurzzeitspeichern (z.B. Kaltwasser-Tankspeicher) kombiniert. Im Gegensatz dazu stellen natürliche Kältequellen (freie Kühlung) nur im Winter ausreichend Kühlenergie bereit. Deswegen müssen typische Langzeit-Speicher eingesetzt werden (z.B. Erdsonden-, Aquiferspeicher [2, 3, 4, 5]). Anlagenseitig finden oft Kaltwasser-Verteilsysteme (Vorlauf 4 bis 8 °C, Rücklauf 12 bis 18 °C) Anwendung. Die Kühlenergie wird häufig zur Gebäudeklimatisierung und technologischen Kühlung (z.B. von Großrechnern) eingesetzt.

Lastanalyse

Hinsichtlich des Einsatzes von Kältemaschinen und Speichern ist die Betrachtung der Faktoren, die zu den Lasten führen, von wesentlicher Bedeutung. Abbildung 2 zeigt Messwerte eines Fernkältenetzes, die folgende Schlussfolgerungen zulassen:

• Die technologische Kühlung verursacht einen näherungsweise konstanten Lastverlauf (in Abbildung 2 sichtbar kleiner 15 °C, Grundlast).
• Die Außentemperatur und die solare Strahlung bewirken im Kühllastfall bezüglich der Gebäudeklimatisierung einen starken Anstieg der Lasten (in Abbildung 2 sichtbar größer 15 °C, vgl. mit Abbildung 3).
• Weiterhin sind die zuvor genannten Lasten von den Wochentagen abhängig. D. h., bei einer statistisch geringerenNutzung (z.B. bedingt durch die Arbeitszeiten) treten Änderungen in der Lastabhängigkeit auf.
• Die Entfeuchtung der Außenluft (latente Lasten) wird hier nicht betrachtet.

Abb. 2: Typische Lastverläufe als Funktion der Außentemperatur für ein Fernkältesystem mit hohem Klimatisierungsanteil; Messwerte: 23.07.2007 bis 31.12.2007. Die Messwerte wurden am Fernkältesystem der Stadtwerke Chemnitz im Rahmen des Vorhabens „Pilotprojekt zur Optimierung von großen Versorgungssystemen auf Basis der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mittels Kältespeicherung“ (Förderung: BMWi, Projektmanagement: PTJ, Förderkennzeichen: 0327357B/C) aufgenommen und verarbeitet [12]. Das System wird mit Absorptions- und  Kompressionskältemaschinen in Kombination mit einem Kaltwasser-Tankspeicher betrieben. Die gezeigten Verhältnisse können auf dieses Thema übertragen werden.

Abb. 3: Verlauf der Außentemperatur und der solaren Einstrahlung (horizontal) sowie der resultierenden Fernkältelast. Die zweite Hälfte des Sommers 2007 war relativ kühl. Insbesondere die Temperaturen in der Nacht weisen niedrige Werte aus. Das führte zu einer starken Nachtauskühlung der Gebäude. Die resultierenden Lasten lagen deswegen nur im Mittellastbereich (4 bis 8 MW). Spitzenlasten (8 bis 12 MW) wurden nicht erreicht.

Die dargestellte Situation zeigt eine signifikante Abhängigkeit der Last vom Wetter. Dabei sind die Spitzenlasten aus folgenden Gründen als problematisch einzuschätzen:

• Unter deutschen Wetterbedingungen treten bezogen auf den Tag-Nacht-Rhythmus und auf die Sommerperiode kurzzeitig hohe Spitzenlasten auf. Diese Spitzenlasten müssen durch Erzeuger oder Quellen gedeckt werden. Das führt zu einer geringen Nutzung bzw. zu niedrigen Vollbenutzungsstunden
• der Spitzenlast-Technik. Die Wirtschaftlichkeit von z.B. Kompressionskältemaschinen ist in diesem Bereich nicht optimal.
• Bei hohen Lasten treten ungünstige Außenluftverhältnisse (hohe Temperaturen und Feuchtigkeiten) für die Rückkühlung der Kältemaschinen auf. Dies wirkt sich besonders negativ z. B. auf Absorptionskältemaschinen aus.
• Die Elektroenergieversorgung ist am Tag hochgradig ausgelastet. In dieser Zeit gelten außerdem höhere Tarife. Der Einsatz von Kompressionskältemaschinen ist nur bedingt zu empfehlen [7].

Vergleich der Techniken

Speicher bieten viele Vorteile. Dennoch werden diese Vorteile heute nicht oder nicht im erforderlichen und möglichen Umfang ausgeschöpft. Tabelle 1 stellt die Merkmale der Erzeuger- und Speichertechniken gegenüber. Es ist jedoch zu beachten, dass an dieser Stelle die Kaltwassererzeuger mit den Erdsonden- und Aquiferspeichern (Langzeit- Kältespeicher) gleichzusetzen sind. Diese treten im System (Abb. 4) als Kühlenergielieferanten auf, wobei die Speicherbeladung mit Umweltenergie prinzipiell als ökologisch günstiger im Vergleich zur maschinellen Kühlung einzuschätzen ist, weil besonders der Aufwand an Energie und Hilfsstoffen niedriger ausfällt. Der Kaltwasser-Tankspeicher wird hier nur zur Optimierung im Kurzeitbereich eingesetzt.

Tabelle 1: Allgemeine Bewertung von Kaltwassererzeugern und Speichern mit Wasser als Energieträger zur Be- und Entladung (KoKM… Kompressionskältemaschinen, AbKM… Absorptionskältemaschinen, BES… Be- und Entladesystem)

Abb. 4: Schema zur Integration eines zentralen Kaltwasser-Tankspeichers in ein Nah- oder Fernkältesystem unter Beachtung eines Langzeit-Speichers und zusätzlicher Erzeuger. Weiterhin ist der Einsatz von reversiblen Wärmepumpen möglich. Diese Lösung wird hier nicht betrachtet.

Kaltwasser-Tankspeicher

Aus konstruktiver Sicht können die Tankhüllen aus Stahl (Beispiel in Abb. 5), Beton oder glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden [7]. Mischkonstruktionen sind ebenfalls möglich und sinnvoll (Beispiel in Abb. 6). Prinzipiell können auch Beckenspeicher in Gebäuden oder Erdbeckenspeicher eingesetzt werden. Beckenspeicher besitzen in der Regel eine niedrigere Speicherhöhe, was sich ungünstig auf einen Betrieb mit thermischer Schichtung auswirken kann. Abbildung 4 zeigt eine typische Systemintegration eines Kaltwasser-Tankspeichers. In den meisten Fällen wird der Speicher als Verdrängungsspeicher mit thermischem Schichtungsbetrieb eingesetzt. Dabei sind folgende Merkmale von besonderer Bedeutung:

• liegende oder stehende Anordnung des Zylinders (bei niedrigen Speicherhöhen Einsatz von Trennwänden usw. zur Steigerung der effektiven Speicherhöhe),
• oberirdische Aufstellung oder Installation im Gebäude,
• Systemeinbindung als angegliederter Speicher oder als hydraulische Weiche,
• maximal zulässiger Speicherdruck (ggf. Einsatz von Druckhalteeinrichtungen).

Abb. 5: Geschweißter Stahltank (Fa. Liebers, Chemnitz), Fertigung in der Fabrik und Transport zum Einsatzort

Abb. 6: Kaltwasserspeicher in Chemnitz: 3.500 m³, Mischkonstruktion, (Betonfundament, geschraubte Tankwand aus dünnwandigem Blech, Dach aus glasfaserverstärktem Kunststoff, Fa. RAC Rohrleitungsbau Altchemnitz und Fa. Farmatic [12]), Vorortfertigung

Aus dem Speichereinsatz in Verbindung mit Kompressionskältemaschinen sind verschiedene Betriebsweisen bekannt. Die Betriebsweisen wurden durch die Tarife der Elektroenergieversorgung beim Einsatz von  Kompressionskältemaschinen motiviert:

1) Partial storage operation strategy (Teillastdeckung durch den Speicher): Kältemaschinen und Speicher übernehmen gemeinsam die Versorgung in der Spitzenlastzeit.
1a) Load-levelling (Lastausgleich): Die Kompressionskältemaschinen laufen zur Spitzenlastzeit auf Volllast. Der Speicher übernimmt die Deckung der Spitzenlast.
1b) Demand-limiting (Bedarfsbegrenzung): Die Kompressionskältemaschinen arbeiten während der Spitzenlastperiode mit reduzierter Leistung, während der Speicher die restliche Leistung zur Verfügung stellt. Die reduzierte Leistung der Kältemaschinen könnte z. B. durch vertragliche Vereinbarungen zur maximalen elektrischen Last bestimmt werden.
2) Full storage operation strategy (Volllastdeckung durch den Speicher): Der Speicher übernimmt in der Spitzenlastzeit 100 % der Versorgung. Zunächst sind nur die Spitzenlastdeckung (Load-levelling) durch den Speicher und ggf. ein Optimierungsbetrieb (Betrieb des Systems an optimalen Punkten, siehe unten) von Interesse.  Abbildung 7 zeigt eine typische Betriebssituation (vgl. mit Abb. 3).

Abb. 7: Spitzenlastdeckung mit Kaltwasserspeicher [12]

Durch die teilweise Entkopplung der Erzeugung bzw. Gewinnung (Entladung des Langzeit-Speichers) von der Last können folgende Vorteile erreicht werden [8]: Als Erstes lassen sich kostenseitige Vorteile durch eine optimale Auslegung [9] erschließen, indem kostenintensive Technik zur Spitzenlastdeckung (z. B. Kompressionskältemaschinen) eliminiert wird. Bei größeren Systemen sind niedrigere Jahresgesamt-Kosten (Berücksichtigung des Kapitaldienstes, des Betriebes, der Wartung usw.) nach VDI 2067 und niedrigere Investitionskosten erreichbar. Gleichzeitig erhöht sich die Nutzung der Grund- und Mittellasttechnik (z. B. Langzeitspeicher). Weiterhin zeigen Betriebserfahrungen, dass mit großen Kaltwasser-Tankspeichern folgende Betriebseigenschaften realisiert werden können [10]:

• hohe Be- und Entladeleistungen,
• geringe Speicherverluste,
• schnelle Betriebsbereitschaft,
• hohes dynamisches Systemverhalten (z. B. Lastabwurf im System problematisch für Absorptionskältemaschinen),
• ausschließliche Notfallversorgung mit dem Speicher (z. B. bei der elektrischen Revision der Kälteerzeugungsanlagen).

Diese Eigenschaften bilden die Grundlage für einen optimalen Systembetrieb [11]. Im Wesentlichen können folgende Ziele verfolgt werden:

• maximaler Einsatz von Umweltenergie (z. B. freie Kühlung) oder Abfallenergie (z.B. Antrieb von Absorptionskältemaschinen),
• Reduktion des Strombedarfs und der elektrischen Spitzenlasten (z. B. bei Kompressionskältemaschinen),
• Reduktion der Hilfsenergie und -stoffe (z. B. Wasserverbrauch bei offenen Verdunstungskühlern),
• stabiler Systembetrieb,
• hohe Versorgungssicherheit.

Ein erheblicher Vorteil ist, dass derartige Speicher in Bestandssystemen nachgerüstet werden können. Die Speicherkonstruktionen und Integrationsmöglichkeiten lassen eine gute Systemanpassung zu. Als limitierender Faktor ist der Platzbedarf zu nennen. Weiterhin können Kosten- und Sicherheitsvorteile erschlossen werden, wenn der Speicher gleichzeitig als Wasserreserve für Feuerlöschzwecke eingesetzt wird.

Dank

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie unter dem Kennzeichen 0327357 C gefördert. Besonderer Dank gilt auch dem Projektträger Jülich für die Unterstützung des Vorhabens. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Die Autoren bedanken sich weiterhin bei dem Personal der Stadtwerke Chemnitz AG für die Kooperation im Vorhaben „Pilotprojekt zur Optimierung von großen Versorgungssystemen auf Basis der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mittels Kältespeicherung“.

Literatur

[1] Johansson, C., Martin, V., He, B.: Distributed High Capacity Cold Storage in District Cooling Systems. Ecostock, 10th International Conference on Thermal Energy Storage, Stockton (USA, New Jersey), Richard Stockton College of New Jersey, 2006, Tagungsband
[2] Sanner, B., u.a.: Saisonale Kältespeicherung im Erdreich. Abschlussbericht zum BMBFProjekt 0329297A Giessener Geologische Schriften Nr. 59. Lenz-Verlag, Gießen, 1996
[3] Bakema, G., Snijder, A. L., Nordell, B.: Underground Thermal Energy Storage, State of the art 1994. IF Technology by Arnhem (Netherlands), 1995. – ISBN 90-802769-1-x
[4] Andersson, O., Hellström, G., Nordell, B.: Recent UTES Development in Sweden. Terrastock 2000, 8th International Conference on Thermal Energy Storage. Stuttgart, 2000, Proceedings. – ISBN 3-9805274-1-7
[5] Schmidt, T., u.a.: Pre-Design Guide for Ground Source Cooling Systems with Thermal Energy Storage. Nordic Energy Research Programme, Rekyl Project, No. 61-02, The SAVE programme, Soil Cool project No. 4.1031/Z/02-102/2002, 2004
[6] Andersson, O., Rudling, H.: Aquifer Storage of Natural Cold for the Stockholm District Cooling System. Terrastock 2000, 8th International Conference on Thermal Energy Storage. Stuttgart, 2000, Proceedings. – ISBN 3-9805274-1-7
[7] Urbaneck, T., Schirmer, U., Platzer, B., Barthel, U., Uhlig, U., Zimmermann, D., Göschel, T.: Kurzzeitige Kältespeicherung – Optimierung der Energieversorgung durch den Einsatz großer Kaltwasserspeicher. BWK – Das Energie-Fachmagazin, Verein Deutscher Ingenieure (Hrsg.), Düsseldorf, Springer-VDI-Verlag, 59. Jg. (2007) Heft 6 S. 55-59. – ISSN 1618-193X
[8] Urbaneck, T., Schirmer, U., Platzer, B., Uhlig, U.; Göschel T., Zimmermann, D.: Optimierung der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mit Kältespeichern. EuroHeat&Power, VWEW Energieverlag 34. Jg. (2005) Heft 11 S. 50-57. – ISSN 0949-166X-D9790F
[9] Urbaneck, T., Schirmer, U., Platzer, B., Uhlig, U.; Göschel, T., Zimmermann, D.: Optimal design of chiller units and cold water storages for district cooling. Ecostock, 10th International Conference on Thermal Energy Storage, Stockton (USA, New Jersey), Richard Stockton College of New Jersey, 2006, Tagungsband.
[10] Urbaneck, T., Uhlig, U., Göschel, T., Baumgart, G.; Fiedler, G.: Erste Betriebserfahrungen mit Großkältespeicher. EuroHeat&Power VWEW Energieverlag 36. Jg. (2007) Heft 12 S. 24-28 – ISSN 0949-166X
[11] Reichel, H., Ulbrich, W., Uhlig, U., Urbaneck, T.: Optimaler Betrieb durch gekoppelten Einsatz von Gebäudeautomation und wissenschaftlicher Messtechnik. EuroHeat&Power, VWEW Energieverlag 37. Jg. (2008) Heft 3 S. 32-37. – ISSN 0949-166X
[12] Urbaneck, T.: http://www-user.tu-chemnitz. de/~tur/ks2/pilotpr_ks.htm. Projektseite zum Vorhaben  „Pilotprojekt zur Optimierung von großen Versorgungssystemen auf Basis der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung mittels Kältespeicherung“ Förderkennzeichen 0327357B/C, 2005-2008
Bildquellen: Thorsten Urbaneck

Autoren:
Dr.-Ing. Thorsten Urbaneck
Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Platzer
Dr.-Ing. Ulrich Schirmer
Technische Universität Chemnitz,
Fakultät für Maschinenbau
Professur Technische Thermodynamik
Straße der Nationen 62
09107 Chemnitz
Tel.: 0371 531-32463
Fax: 0371 531-832349
E-Mail: thorsten.urbaneck@mb.tu-chemnitz.de
bernd.platzer@mb.tu-chemnitz.de
ulrich.schirmer@mb.tu-chemnitz.de
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/TechnThDyn

Dieser Artikel ist im bbr-Sonderheft Oberflächennahe Geothermie 2009 erschienen. Das 94-seitige Heft kann zusammen mit dem Sonderheft 2010 zum gleichen Thema beim Verlag wvgw direkt bestellt werden