Bachelorarbeit zu saisonaler Speicherung von Wärmeenergie

Da die Heizperiode im Winter liegt, fällt auch der Grossteil des Wärmebedarfs in Fernwärmenetzen in dieser Zeit an. Da industrielle Abwärme jedoch über das ganze Jahr hinweg anfällt, zeigt sich die Notwendigkeit der saisonalen Speicherung von Wärmeenergie.

In meiner Bachelorarbeit habe ich daher diese Speicherung anhand des bestehenden Fernwärmenetzes in Lyss untersucht. In Verbindung mit dem Forschungsprojekt zur ‘Wärmespeicherung in Deponiematerial’ am SPF, ergeben sich zwei Interessengruppen, die in der Arbeit vereint werden müssen. Einerseits möchte die Wärme Lyss Nord eine möglichst günstige Wärmeerzeugung, andererseits möchte das SPF möglichst viele Erkenntnisse über die Deponiespeicherung gewinnen.

Ausgangslage

Die GZM Extraktionswerk AG erzeugt die Wärmeenergie für die Fernwärme auf drei verschiedene Arten. Erstens wird sie mit Wärmetauschern aus der Brüdenabwärme des Verarbeitungsprozesses der Kadaververwertung gewonnen. Diese Abwärme ist die mit Abstand günstigste Erzeugungsart für Lyss Nord, fällt jedoch nur unter der Woche an. Zweitens kann am Wochenende eine Tiermehlverbrennung für die Fernwärme genutzt werden. Diese wird als CO₂-neutral gewertet. Als dritte Quelle wird die restliche Energie von Gas- und Ölheizkesseln erzeugt.

Das nahegelegene Kieswerk Vigier machte den Standort Lyss für einen möglichen Speicher im Deponiematerial besonders interessant. Bei einer Begehung stellte sich jedoch heraus, dass aufgrund der Deponieart Typ B keine Deponiespeicherung nach dem Konzept des SPFs möglich ist. 

Im umliegenden Industriegebiet sind weitere Wärmequellen auf tiefem Temperaturniveau vorhanden. Diese könnten potenziell über eine Wärmepumpe ins Netz eingespeist werden.

Speichervarianten

Anhand dieser Ausgangslage wurden die folgenden fünf Varianten bestimmt, um die Wärmeerzeugung zu ergänzen. Erstens ein Wasser-Stahltankspeicher, um die Wochenendlücke zu überbrücken, zweitens ein Erdbeckenspeicher, drittens die Deponieaktivierung, um trotzdem Erkenntnisse über dieses Konzept zu gewinnen, viertens ein Erdsondenfeld als Vergleich für die Deponieaktivierung und fünftens die Einbindung von Abwärme über eine Wärmepumpe.

Methodik

Um konkrete Abschätzungen zur optimalen Speichergröße des Wochenspeichers sowie zur Wirtschaftlichkeit aller Varianten zu treffen, wurden zunächst drei Entwicklungsszenarien auf Basis des Wärmebedarfs von 2025 definiert. Mithilfe eines angepassten Excel-Tools zur Simulation der Wärmebereitstellung habe ich diese Szenarien mit den verschiedenen Varianten simuliert. 

Das thermische Verhalten der Deponiespeicherung untersuchte ich zusätzlich mit einer eigens entwickelten Python-Simulation. Zuvor wurden zwei andere Ansätze ausprobiert. Dabei zeigte sich jedoch, dass eine eigene Simulation die Anforderungen der Untersuchung am besten abdeckt.

Ergebnisse 

Die Simulation des Deponiespeichers zeigte eine höhere Effizienz der Speicherung im Vergleich zu einem Erdsondenfeld. Vermutlich entsteht dieser Effiziennzgewinn besonders durch eine deutlich höhere Strangdichte, als in Erdsondenfeldern üblich ist. Die anfänglich vermutete Kosteneinspaurung bei den Investitionskosten hebt sich aber genau durch diese Strangdichte wieder auf. Trotzdem sind die Speicherkosten der Deponiespeicherung tiefer, aber aufgrund der höheren Effizienz und dem damit kleineren Stromverbrauch der Wärmepumpen.

Als einfachste und wirtschaftlichste Lösung für das Fernwärmenetz empfiehlt sich die Variante mit einem Wochenspeicher von 3000 m³  Wasser, damit lassen sich die Kosten im Szenario 1,5-mal Bedarf bereits um knapp 75000.- CHF pro Jahr reduzieren (Abb. 1). Auch die CO₂ Emissionen können so in diesem Szenario auf fast netto null reduziert werden. Bei den Varianten, wo eine Wärmepumpe genutzt wird, sind die Stromkosten ein entscheidender Faktor. Abb. 1 zeigt wie besonders der Strompreis mit Netzkosten (0.24 Rp.) im Vergleich zu ohne Netzkosten (0.14 Rp.) drastisch die Gesamtkosten der Wärmeerzeugung beeinflussen können.

Fazit

Die Arbeit hat die gezeigt, dass die thermische Aktivierung von Deponiematerial eine Relevanz in der saisonalen Speicherung von Energie haben kann, jedoch macht für das Netz in Lyss eine einfache Variante mit einem Wochenspeicher von ca. 3000 m³ Speichervolumen am meisten Sinn.

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