Feststoffspeicher Beton

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:

Beton-Speicher:

Während des Beladungsvorgangs überträgt das Wärmeträgermedium über die Wärmeübertragungsrohre aus Stahl Wärme an den umgebenden Beton. Dadurch, dass die Rohre aus Stahl bestehen, ist es möglich verschiedene Prozessmedien wie Thermoöl, Dampf oder Luft zu verwenden. Während der Entladung gibt der Beton Wärmeenergie an das Wärmeträgermedium ab und erwärmt dieses.

Energiepfähle:

Bei den Energiepfählen handelt es sich um Gründungspfähle, die mit Wärmeübertragungsrohre ausgestattet sind. Sie funktionieren wie eine Erdwärmesonde mit dem Unterschied, dass die Rohre in Beton eingebracht sind. Mit Hilfe einer reversiblen Wärmepumpe wird dem im Energiepfahl befindlichen Wärmeträgermedium (Wasser) Wärme entzogen. Im Sommer (Kühlbedarf) entzieht die Wärmepumpe dem Gebäude die Wärme und gibt sie an den Energiepfahl ab.
Zum Gebäude hin ist eine gute Isolierung notwendig, damit die Wärme tatsächlich aus dem Erdreich entzogen wird und nicht aus dem Gebäude.

Betonkernaktivierung:

Durch die Aktivierung der thermischen Speichermasse kann der Raumtemperaturverlauf über den Tag ausbalanciert werden.

Beladung:

In das jeweilige Betonbauteil (meist Wand- oder Decke) wird mit ein Rohrregister eingebracht, durch welches Wasser zirkuliert. Je nach Energiebedarf (Kühl- oder Heizbedarf) fließt warmes oder kaltes Wasser durch das Bauteil, sodass Wärme- oder Kälteenergie auf den Beton übertragen wird und eine Erwärmung bzw. Abkühlung des Betons erfolgt. Dieser Vorgang kann durch Modifikation der Vorlauftemperatur, des Massenstroms und Ladezeit gesteuert werden.

Speicherung:

Die thermische Aktivierung des Bauteils bewirkt eine zeitliche Verschiebung der thermischen Lasten. Ein Überangebot an Wärme (z.B. durch solare Einstrahlung oder innere Lasten) kann in dem Bauteil zwischengespeichert werden, wodurch die mittlere Bauteiltemperatur steigt und somit auch die operative Raumtemperatur, dies aber durch die Trägheit der Speichermasse zeitversetzt.

Entladung:

Die im Beton befindliche Wärme oder Kälte wird nun passiv zu 60 % über Strahlung und zu 40 % über Konvektion an den Raum übertragen.

Speichermedium:
Beton als Fünfstoffsystem (Wasser, Zement, Zuschlag, Betonzusatzstoffe, Betonzusatzmittel) → mit Sand/Kies am effektivsten

Wärmeträger:

Beton-Speicher: Wasser, Thermoöl, Dampf oder Luft
Energiepfähle: Wasser
Betonkernaktivierung: Wasser

Wärmeübertrager:

Beton-Speicher: Rohrleitungen aus Stahl
Energiepfähle: Rohrleitungen aus Kunststoff
Betonkernaktivierung: Rohre aus vernetztem Polyethylen (Durchmesser: 15 bis 20 mm; Abstände: 10 bis 30 cm; in mäander- oder spiralförmiger Rohrschlangenführung)

Funktionsskizzen

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

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

Nutzungsgrad – Betonkernaktivierung nach DIN V 18599:

Nutzungsgrad für den Heizfall:

$n_{h,ce} = \frac{1}{(4-(n_L+n_C+n_B))}$

mit
n_L: Teilnutzungsgrad für vertikales Lufttemperaturprofil (Wandelemente: 0,96, Deckenelemente: 0,93)
n_C: Teilnutzungsgrad für Raumtemperaturregelung (0,75 bis 0,95)
n_B: Teilnutzungsgrad für spezifische Verluste der Bauteile (0,93)

Nutzungsgrad für den Kühlfall: 0,9

Bauarten

Beton-Speicher
Energiepfähle
Betonkernaktivierung

(thermisch aktivierte Bauteile, siehe vorstehende Beschreibung)

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Beton-Speicher	Energiepfähle	Betonkernaktivierung
Typische Be- und Entladeleistungen	Beladungsleistung: 170 kW Entladungsleistung: 50 kW	Kühlleistungen: 220 kW	Kühlleistungen: 30–40 W/m² Heizleistungen: 25–30 W/m²
Typische Be- und Entladeleistungen	$\.{Q}_{BES} = \.{m}_{B}_{BES}\.{c}_{Fluid}(T_{Fluid, ein} - T_{Fluid, aus})$ bzw. $\.{Q}_{BES} = (kA)_{W\"{a}rme\"{u}bertrager}(T_{BES,m} - T_{Sp,m})$
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Alters des Speichers	Die Verlustleistung ist unabhängig vom Alter des Speichers

BES: Be- und Entladesystem

Energetische Kennwerte

Bauart	Beton-Speicher	Energiepfähle	Betonkernaktivierung
Verfügbare Leistungsklassen (kW)	von: k.A. bis: 100 kW (Status Pilotanlage DLR)	von: k.A. bis: 120 W/m	von: k.A. bis: k.A.
Verfügbare Kapazitäten (kWh)	von: k.A. bis: 400 KWh (Status Pilotanlage DLR) optimales Kosten-Nutzen-Verhältnis → modularer Aufbau mit: Länge: 18 m Breite: 2,6 m Höhe: 4 m	k.A.	von: 350 Wh/m² bis: 400 Wh/m²
	Q_Sp = m · c_p · (Θ₂ – Θ₁) oder Q_Sp= V · c_p‚ · (Θ₂ – Θ₁)
	mit: Θ₁ : Bauteiltemperatur bzw. Speichertemperatur (Temperatur des Wärmeträgers) Θ₂ : Raumtemperatur Spezifische Wärmekapazität cp = 0,88 kJ/(kg K) Volumetrische Wärmekapazität c_p‚ = 1672 bis 2074 kJ/(m³K) m = dAρ
Volumetrische Speicherdichte	Volumetrische Speicherdichte= (Speicherkapazität in kJ)/ (Volumen des Speichers in m³) c‘ * ΔT mit volumenspezifische Wärmekapazität (Beton) c‘: 1672 bis 2074 kJ/(m³K)
Gravimetrische Speicherdichte	Gravimetrische Speicherdichte = (Speicherkapazität in kJ)/ (Masse des Speichers in kg) c * ΔT mit gewichtsspezifische Wärmekapazität (Beton) c: 0,88 kJ/(kg K)
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit der Kapazität	Ja Die Anzahl und Anordnung der Rohre innerhalb eines Einzelmoduls beeinflusst die thermische Leistungsfähigkeit und damit die Verlustleistung	Ja	Ja Die Anzahl und Anordnung der Rohre innerhalb des Bauteils beeinflusst die thermische Leistungsfähigkeit und damit die Verlustleistung
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Ladezustandes	Abhängigkeit vernachlässigbar
Verfügbare Energieniveaus	Temperaturniveaus des Speichers (°C): 0–400 °C	Temperaturniveaus des Speichers (°C): 8,5–12 °C	k.A.

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Beton-Speicher	Energiepfähle	Betonkernaktivierung
Nutzenergiekosten / kWh	k.A.	k.A.	k.A.
Laufende Kosten p.a./kW	k.A.	k.A.	k.A.
Investkosten / kW	15–130 €/kWh	15 €/m plus 10 €/m für die horizontale Anbindung Geringe Mehrkosten, wenn einePfahlgründung sowieso erforderlich ist	40–50 €/m²
Platzbedarf / kWh	k.A.	k.A.	k.A.
Typische Lebensdauer in Jahre	k.A.	k.A.	Kunststoffrohre: bis zu 100 Jahre
Erwartete Baukosten für einen Speicher mit 10000 m³ Wasseräquivalent (WÄ), bezogen auf 1 m³ WÄ	80–100 €/m³	k.A.	k.A.

Technologische Kennwerte

Bauart	Beton-Speicher	Energiepfähle	Betonkernaktivierung
Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen)	keine negativen Aspekte	keine negativen Aspekte	keine negativen Aspekte
Gefährdungspotenzial	geringes Gefährdungspotenzial	geringes Gefährdungspotenzial	geringes Gefährdungspotenzial
Systemkomplexität	robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen	robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen	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

Forschungsbedarf ist in allen drei Bereichen noch sehr hoch:

Energiepfähle – Forschungsbedarf im Hinblick auf:

Effizienz der Betriebszustände und Konfiguration
Wärmeleitfähigkeit und Speicherkapazität

Betonkernaktivierung – Forschungsbedarf im Hinblick auf:

optimale Systemkonfiguration und Betriebsweise unter Berücksichtigung erneuerbarer Energien
rechnergestützte Betriebsführung
Verbesserung raumakustischer Eigenschaften
Kombination von TABS mit neuen Speichertechnologien

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

hohe spez. Wärmekapazität
hohe Wärmeleitfähigkeit
thermische Langzeitstabilität
gute Verfügbarkeit der Komponenten
Selbstregeleffekt

Nachteile

Feststoffspeicher erfordern im Vergleich zu Fluidspeichern eine hohen Platzbedarf

Anwendungsbeispiele

Anwendungsbeispiele (Projekte mit Energiepfählen):

Festspielhaus Bregenz
Main Tower in Frankfurt am Main

Anwendungsbeispiele (Projekte mit Beton-Speicher):

Pilotprojekt DLR und Züblin

Anwendungsbeispiele (Projekte mit Betonkernaktivierung):

Volkswohl Bund Versicherungen, Dortmund
Institut für Informatik, Universität Rostock
HafenCity Universität Hamburg

Literaturverzeichnis

Beton/Campus: Betonkernaktivierung: Warm und Kalt. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 16.02.2017
BINE Informationsdienst (2007): Thermoaktive Bauteilsysteme
BINE Informationsdienst (2005): Wärmespeicher – Leseprobe
Bundesverband Geothermie: Energiepfahl. Online verfügbar, zuletzt geprüft am 16.02.2017
Ewert, Markus (2011): Flexibilität durch Wärmespeicherung in konzentrierenden Solarkraftwerken
Kaltschmitt, Martin et al. (2009): Energie aus Erdwärme
Kempkes, Christoph et al. (2009): Energetische Bewertung thermisch aktivierter Bauteile. Dynamisch thermische Simulation, messtechnische Validation, vereinfachte Bewertungsansätze
Laing, Doerte (2008): Speichertechnik nicht nur für Solarenergie
Schröder, B.; Hanschke, T. (2003): Energiepfähle – umweltfreundliches Heizen und Kühlen mit geothermisch aktivierten Stahlbetonfertigpfählen

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht