Kies-Wasser-Wärmespeicher

Relevante Energieformen

Gespeicherte Energieform:

Thermische Energie (Kälte > 0 °C bzw. Wärme < 100 °C*) * Grenzen zwischen beiden Formen liegt bei 20 °C

Kurzbeschreibung

Physikalisches Prinzip:
Veränderung der fühlbaren Temperatur beim Lade- oder Entladevorgang (Wärmeaufnahme oder -abgabe)

Prozessablauf:
Bei einem Kies-Wasser-Speicher handelt es sich um eine pyramidenstumpfförmigen Grube im Erdreich, die mit Kiesschüttung gefüllt und in den Zwischenräumen mit Wasser geflutet ist. Dieses Wasser dient zur Erhöhung der Wärmespeicherkapazität. Bei einem Kies-Wasser-Speicher erfolgt der Wärmeaustausch entweder über Rohrschlangen (indirekt) oder über das das Speichermedium Wasser selbst (direkt).

Direktspeicher:
Bei der direkten Be- und Entladung des Kies-Wasser-Speichers wird das Wasser direkt eingespeist und entnommen. Dabei wird das Wasser durch ein Drainagesystem in einer bestimmten Temperaturschicht (warm oder kalt, je nach Bedarf) abgepumpt und über einen oberirdischen Wärmeübertrager geführt. Dort erfolgt dann eine Erwärmung oder Abkühlung des Wassers, was schließlich wieder in die jeweilige Schicht zurückgeleitet wird. Unter dem Wasserspiegel befinden sich Be- und Entladepumpen, die mit einem Filter zur Vermeidung von Ablagerungen ausgestattete sind.

Indirektspeicher:
Indirekte Speichersysteme sind von wasserdichten Rohrleitungen in unterschiedlichen Ebenen durchzogen. Dieses wasserdurchflossene Be- und Entladerohrsystem dient als Wärmeübertrager und gibt dem Speichermaterial (Kies-Wasser-Gemisch) Wärme ab (Beladung) oder entzieht diesem die Wärme (Entladung). Bei dem indirekten System kommt es durch den Übertragungsprozess zu zusätzlichen Wärmeverlusten.

Speichermedium:
Kies-Wasser-Gemisch (Kiesanteil beträgt etwa 60–70 %)

Wärmeträger:
Wasser aus Kies-Wasser-Gemisch (Direktspeicher) oder in Rohrschlangen (Indirektspeicher)

Wärmeübertrager:
Kunststoffrohre

Materialen – Hülle des Speichers:
Die Grube wird vollständig von einer wasserdichten Hülle und einer allseitigen Wärmedämmung umgeben

Blähglasgranulat (Recyclingprodukt aus der Glasindustrie) als Wärmedämmung
Speicherabdichtung: doppellagige Kunststofffolie oder wasserdichter Beton

Funktionsskizzen

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

$Nutzungsgrad \; eines \; Speichers =\frac{Speicherentladung}{dem \; Speicher \; zugef\"{u}hrte \; Energie}$

Die Nutzungsgrade können bis zu 70 % betragen

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Direkt- oder Indirektspeicher
Typische Be- und Entladeleistungen	Direktspeicher: $\.{Q}_{BES} = \.{m}_B\;_{BES} * \.{c}_{Fluid} * (T_{BES,ein} - T_{BES,aus})$ mit T_BES,ein = Temperatur beim Beladen T_BES,aus = Temperatur beim Entladen Indirektspeicher: $\.{Q}_{BES} = \.{m}_B\;_{BES} * \.{c}_{Fluid} * (T_{BES, ein} - T_{BES, aus})$ bzw. $\.{Q}_{BES} = (kA)_{Wärme\"{u}bertrager}} (T_{BES,m} - T_{Sp,m})$ BES: Be- und Entladesystem
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Alters des Speichers	Die Verlustleistung ist nicht abhängig vom Alter des Speichers
Typische Speichergrößen	Bei den bisher realisierten Speichern liegen die Speichergrößen bei 1.050 m³ bis 70.000 m³ (nutzbares Volumen)

Energetische Kennwerte

Bauart	Direkt- oder Indirektspeicher
Verfügbare Kapazitäten	Es existieren umgesetzte Speicher mit einem nutzbaren Volumen 1.050 m³ bis 70.000 m³
Verfügbare Kapazitäten	Q_Sp = m · c_p · (θ₂ –θ₁) oder Q_Sp = V · c_p‚ · (θ₂–θ₁) Spezifische Wärmekapazität c_p (Kies-Wasser-Gemisch) = 1,32 kJ/(kg K) Volumetrische Wärmekapazität c_p‚ (Kies-Wasser-Gemisch) = 2.904 kJ/(m³K)
Volumetrische Speicherdichte	Typische Speicherdichten: 30–50 kWh/m³ Volumetrische Speicherdichte= (Speicherkapazität in kJ)/(Volumen des Speichers in m³) c‘ * ΔT mit volumenspezifische Wärmekapazität (Kies-Wasser) c‘: 2.904 kJ/(m³K)
Gravimetrische Speicherdichte	Gravimetrische Speicherdichte = (Speicherkapazität in kJ)/(Masse des Speichers in kg) c * ΔT mit gewichtsspezifische Wärmekapazität (Kies-Wasser) c: 1,32 kJ/(kg K)
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit der Kapazität	Ja Je kleiner das A/V-Verhältnis, desto geringer sind die Wärmeverluste Die thermische Zeitkonstante (Abkühlung bzw. Wärmeverlust je Zeiteinheit) ist direkt proportional zur spezifischen Wärme des Speichermediums und zum Volumen des Speichers sowie indirekt proportional zur Oberfläche und zur Wärmedurchgangszahl der Speicheroberfläche
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Ladezustandes	Abhängigkeit vernachlässigbar
Verfügbare Energieniveaus	Temperaturniveaus des Speichers (°C): 0–90 °C (37 Vol.-% Wasser) → max. Speichertemperatur wird durch die eingesetzten Kunststofffolien begrenzt
Speichervolumen für 1 m³ Wasseräquivalent	1,3–2 m³ Durch die geringe Wärmekapazität von Kies gegenüber Wasser erhöht sich das benötigte Speichervolumen gegenüber reinen Heißwasserspeichern um ca. 30–50 %.

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Direkt- oder Indirektspeicher
Nutzenergiekosten/kWh	0,05 €/kWh
Laufende Kosten p.a./kW	k.A.
Investkosten/kW	1,4–6 €/kWh
Platzbedarf/kWh	k.A.
Typische Lebensdauer in Jahre	k.A.
Erwartete Baukosten für einen Speicher mit 10.000 m³ Wasseräquivalent (WÄ), bezogen auf 1 m³ WÄ	80–100 €/m³

Technologische Kennwerte

Bauart	Direkt- oder Indirektspeicher
Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen)	keine negativen Aspekte Kies besitzt nur sehr wenig graue Energie
Gefährdungspotenzial	geringes Gefährdungspotenzial
Systemkomplexität	robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
	Umrüstaufwand und Integration	Umrüstaufwand zur nachträglichen Integration	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig ,Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Spezifische Speicherkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig , Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Spezifische Platzbedarf	Wie groß ist die volumetrische Speicherdichte (Grün = Hoch, Gelb = Mittel, Rot = Niedrig)
		Speicherverluste	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)

Entwicklungstendenz

keine weiteren Entwicklungen abzusehen

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

Wärme kann in unterschiedlichen Schichten be- und entladen werden
Kies erfüllt höchste statische Anforderungen, sodass auf eine tragende Behälterkonstruktion verzichtet werden kann
kostengünstige Errichtung des Speichers
befindet sich unterirdisch → keine Akzeptanzprobleme aufgrund von großen Tanks oder Speicherbecken

Nachteile

benötigt je nach Fassungsvermögen viel Platz zum Aufstellen
kontinuierliche Wärmeverluste trotz optimaler Dämmung (Bereitschaftsverluste)

Anwendungsbeispiele

Kies-Wasser-Speicher werden zur Langzeitspeicherung von Solarwärme oder Abwärme eingesetzt oder als Zwischenspeicher in Nahwärmenetzen

Anwendungsbeispiele:

Eggenstein-Leopoldshafen, Grund- und Hauptschule
Steinfurt-Borghorst, 1.500 m³, 1998
Chemnitz, 8.000 m³, 2000

Literaturverzeichnis

BINE Informationsdienst (2005): Wärmespeicher, Leseprobe
Bohne, Dirk (2004): Ökologische Gebäudetechnik
Bohne, Dirk (2004): Ökologische Gebäudetechnik
Oertel, Dagmar (2008): Energiespeicher – Stand und Perspektiven
Pape, Joachim T. (2005): Technisch-wirtschaftliche Aspekte von Erdwärmespeichern
Pfeil, Markus; Koch, Holger (2004): Kies/Wasser-Wärmespeicher. Langzeitwärmespeicherung ökologisch und kostengünstig
Saisonalspeicher.de, Erdbecken Be- und Entladung, zuletzt geprüft am 26.07.2019
SAENA GmbH (2012): Technologien der Abwärmenutzung

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht