Physik neuartiger Wärmespeicher: Flaktürme als saisonale Wärmespeicher

Einleitung:

1.1. Kurzfassung/Abstract:

Effiziente Wärmespeicherung - besonders langzeitige - stellt die Schlüsseltechnologie für eine zukünftige vollsolare Wärmeversorgung dar. Bis heute gibt es keine kompakte saisonale Lösung mit hoher Energiedichte. Bestehende Techniken sind meist mit hohem Aufwand und geringem Wirkungsgrad verbunden. Wo besteht also Innovationsbedarf? Können wir in Zukunft mit mehr ‘erneuerbarer Wärme‘ rechnen?

Die vorliegende Arbeit gibt einen Gesamtüberblick der derzeitig am Markt etablierten Möglichkeiten zur langfristigen Wärmespeicherung und evaluiert diese nach physikalischen Parametern. Hervorgehoben wird besonders jener Bereich, der erhöhten Bedarf an Wärmespeichern aufweist: Die Raumwärme für Haushalte. Für diesen Sektor werden innovative Lösungsansätze aus der Physik untersucht, sowie eigene Berechnungen angestellt. In diesem Zusammenhang wird ein Modell der Wiener Flaktürme als saisonale Wärmespeicher, gekoppelt mit solarthermischen Anlagen und der Fern-wärme, vorgestellt.

Die Methodik der Arbeit umfasst Literaturrecherche und -analyse, aber auch eigene Berechnungen und Ergebnissynthese. In Zukunft sinkt die Nachfrage nach Raumwärme durch fortschreitende Gebäudesanierung, gleichzeitig steigt aber der Strombedarf. Das hat zur Folge, dass vermehrt Abwärme in Kraftwerken frei wird, welche sich dann nicht mehr verkaufen lässt. Moderne thermische Speichersysteme auf Basis von Solarthermie könnten beispielsweise neue Möglichkeiten zur Kraft-Wärme-Kopplung Einsatzoptimierung schaffen.

Saisonale Heißwasserspeicher sind bereits erfolgreich durch Pilotanlagen mit solaren Deckungsanteilen von bis zu rund 65% demonstriert worden, in der Entwicklung stecken noch die Alternativen mit höheren Energiedichten, die nicht auf Basis von Wasser als Medium arbeiten. Besonders Latentwärmespeicher stellen den nächsten Fortschritt bei Saisonspeichern in Aussicht, diese sind bereits Thema zahlreicher Untersuchungen und Publikationen. So auch thermochemische Systeme, welche jedoch noch an zu hohen Investitionskosten und geringem Wirkungsgrad scheitern.



Einleitung:

1.1. Kurzfassung/Abstract:

Effiziente Wärmespeicherung - besonders langzeitige - stellt die Schlüsseltechnologie für eine zukünftige vollsolare Wärmeversorgung dar. Bis heute gibt es keine kompakte saisonale Lösung mit hoher Energiedichte. Bestehende Techniken sind meist mit hohem Aufwand und geringem Wirkungsgrad verbunden. Wo ...



Inhaltsverzeichnis:

1.|Einleitung|1

1.1|Kurzfassung/Abstract|1

1.2|Motivation und Aufbau der Arbeit|3

2.|Physikalische Grundlagen|5

2.1|Größen und Begrifflichkeiten|5

|Exergie und Energieumsatz|6

|Solarthermie|7

|Kraft-Wärme-Kopplung |8

|Wärmepumpen und -überträger|9

2.2|Thermodynamik und thermodynamische Systeme|15

|Wärmeleitfähigkeit|23

|Konvektion|24

|Wärmeisolation|24

3.|Physikalische Mechanismen zur Wärmespeicherung|26

3.1|Wasser als Medium - Eine Übersicht|26

3.2|Theoretische Grundlagen und Modelle|36

3.2.1|Allgemeine Energieverluste und Effizienz|41

3.2.2|Speicherung sensibler Wärme in gesättigten Fluiden|44

3.2.3|Speicherung über Latentwärme|51

3.2.4|Andere thermische Speichermethoden|57

4.|Etablierte Systeme und Pilotanlagen|59

4.1|Sensible Wärmespeicher||59

4.1.1|Pilotprojekte zu sensiblen Saisonspeichern||73

4.2.|Latentwärmespeicher|81

4.2.1|Etablierte Anwendungen zu PCMs|89

4.3|Thermochemische Speicher|90

5.|Abdeckung des Energiebedarfs|95

5.1|Der Energiebedarf Europas und Österreichs bis 2050|95

5.2|Abdeckung des Bedarfs durch etablierte Wärmespeicher|102

|Wirtschaftlicher Fokus auf Österreich/Wien|102

|Übersicht qualitativer Parameter saisonaler Speichermethoden|103

|Fallbeispiel Wien, Potential für Solarthermie|107

5.3|Modell Wien: Flaktürme als saisonale Speicher|110

6.|Schlussfolgerungen|131

7.|Literaturverzeichnis|135