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:
Kühlbetrieb:
Im Sommer wird tagsüber die Außenluft über eine luftdurchströmte Gesteinsschüttung angesaugt und dort durch Wärme- und Feuchteabgabe an das Gestein um 5–10 °C abgekühlt. Somit kann die abgekühlte und entfeuchte Außenluft zur Kühlung eines Gebäudes verwendet werden. Während der Nacht regeneriert sich der Schotterspeicher, indem es mit kühler Nachtluft durchströmt wird.
Heizbetrieb:
Im Winter wird nachts die kalte Umgebungsluft durch den Schotterspeicher geleitet, sodass diese durch Aufnahme der Wärme des Schotters vorgewärmt wird bevor es in einem Klimagerät bis auf die erforderliche Heiztemperatur erhöht wird. Tagsüber erfolgt dann die Regeneration, indem die warme Abluft durch den Schotterspeicher geführt wird und die Gesteine wieder aufwärmt.
Aufbau:
Der Schotterspeicher ist in Form eines Quaders aufgebaut, wobei an den Stirnseiten jeweils Luftverteilersysteme installiert sind.
Speichermedium:
grober Schotter, meist Grauwacke, Basalt und Granit oder Kies-Siebung zwischen 50 und 150 mm.
Wärmeträger:
Luft
Materialien in der Baugrube:
Erdreich oder Betonwanne und Auskleidung der Baugrube mit einer verschweißten Schwimmbeckenfolie.
Funktionsskizzen
Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte
![\[ Nutzungsgrad \; eines \; Speichers =\frac{Speicherentladung}{dem \; Speicher \; zugef\"{u}hrte \; Energie} \]](https://technologiematrix.synergie-projekt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-eeb733611e3f3e2d950af2bfb22a7398_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Nutzungsgrad bis 0,9
Betriebs-Charakteristika
| Bauart | Schotterspeicher |
| Typische Be- und Entladeleistungen | k.A. |
| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Alters des Speichers |
Die Verlustleistung ist unabhängig vom Alter des Speichers → es sind unendlich viele Be- und Entladezyklen möglich |
| Speichergrößen |
|
Energetische Kennwerte
| Bauart | Schotterspeicher |
| Verfügbare Leistungsklassen (kW) | k.A. |
| Verfügbare Kapazitäten (kWh) | von: k.A. bis: 36 MWh (Siemens-Pilot-Projekt) |
| Volumetrische Speicherdichte | Typische Speicherdichten: 2,8 bis 18 kWh/m³
Volumetrische Speicherdichte= (Speicherkapazität in kJ)/(Volumen des Speichers in m³) c‘ * ΔT |
| Gravimetrische Speicherdichte | Gravimetrische Speicherdichte = (Speicherkapazität in kJ)/(Masse des Speichers in kg)
c * ΔT |
| 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 |
| Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Ladezustandes | Abhängigkeit vernachlässigbar |
| Verfügbare Energieniveaus | Siemens-Pilotprojekt: bis 600 °C |
| Speichervolumen für 1 m³ Wasseräquivalent | 3–4 m³ |
Wirtschaftliche Kennwerte
| Bauart | Schotterspeicher |
| Nutzenergiekosten/kWh | k.A. |
| Laufende Kosten p.a./kW | k.A. |
| Investkosten/kW | Spezifische Investitionskosten: 220–320 €/m³ In den Investitionskosten sind die durch die Systemanwendung bedingten Planungs-, Material-, Ausführungs- und die Kosten für die Regelungstechnik enthalten. |
| Platzbedarf | Typische Geometrie der Schotterschüttung:
|
| Typische Lebensdauer in Jahre | unendlich viele Be- und Entladezyklen möglich |
Technologische Kennwerte
| Bauart | Schotterspeicher |
| Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen) | keine negativen Aspekte |
| 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 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 weitere Entwicklung abzusehen
Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile
Vorteile
- einfacher Aufbau
- preisgünstige Erstellung
- geringe energetische Aufwendungen
- bei Undichtigkeiten → keine Bauschäden
- unterirdisch und somit nicht sichtbar
- Ersatz der konventionell erzeugten Energie
- förderfähig
- Schüttungen → große Wärmeübertragungsfläche aus
- Reduzierung der Konzentration luftgetragener KBE-Bakterien sowie Pilzen
- keine Bedenken aus Sicht der Hygiene
Nachteile
- hoher Platzbedarf bei einem oberirdischen Einbau
- große Flächen für die Wärmeübertragung erforderlich
- Berücksichtigung von statischen Erfordernissen der Fundamentplatte beim Bau eines Schotterspeichers
Anwendungsbeispiele
Anwendung in Gebieten in denen aus Gewässerschutzgründen keine Erdwärmesonden oder Erdkollektoren verwendet werden können:
- Kindergärten in Rochlitz und Chemnitz
- Produktionsgebäude in Lichtenwalde, Chemnitz, Frankenberg, Altgeringswalde, Hartmannsdorf (KOMSA), Dresden, Berlin
- Recyclinganlage Zürich
- Bürogebäude in Chemnitz und Pößneck
- Siemens-Steinspeicher (Pilotprojekt)
Literaturverzeichnis
- BINE Informationsdienst (2005): Wärmespeicher – Leseprobe
- Gawlik, W. (2013): Speicher für die Energiewende
- Ingenieurbüro für Haustechnik + Energetik Prof. Reichel GmbH: Schotterspeicher. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 26.06.2019
- Reichel, M. (2017): Aufbau, Funktion und Betriebserfahrungen mit luftdurchströmten Schotterschüttungen (PDF Download), zuletzt geprüft am 26.06.2019
- Reichel, M. (2012): Innovative Gebäude- und Umwelttechnik – Die Technologie Schotterspeicher
- SAENA GmbH (2012): Technologien der Abwärmenutzung
- Schulz, Heinz (1995): Wärme aus Sonne und Erde. Energiesparende Heizungssysteme mit Erdwärmespeicher, Solarabsorber und Wärmepumpe
- shr4 (2010): 4. Sächsischer Radontag. 6. Tagung Radonsicheres Baue