Startschuss für die ersten saisonalen Wärmespeicher in der Schweiz

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Startschuss für die ersten saisonalen Wärmespeicher in der

Mit saisonalen Wärmespeichern kann der Strombedarf im Winter deutlich reduziert und das Risiko einer Strommangellage minimiert werden. Anlässlich des 10-jährigen Bestehens dieses Symposiums wurde die Gelegenheit genutzt, auf das vergangene Jahrzehnt zurückzublicken und einen Ausblick zu wagen.

kompakt

CC TES

Das Kompetenzzentrum Thermische Energiespeicher (CC TES) an der Hochschule Luzern ist der führende Forschungspartner für Lösungen zur Speicherung von Wärme und Kälte und Temperaturstabilität. Die Relevanz der thermischen Energiespeicherung zeigt sich auch anhand des Wachstums des Kompetenzzentrums, in dem mittlerweile mehr als 50 Personen tätig sind.

Wie lässt sich überschüssige Sonnenenergie vom Sommer in den Winter umlagern? Aus technischer Sicht sind verschiedene Ansätze verfügbar, die über die etablierte Warmwasserspeicherung auf Tankbasis hinausgehen. In Ländern wie Dänemark sind saisonale Wärmespeicher bereits etabliert. Die Chancen der Wärmespeicherung sollten auch in der Schweiz einem breiteren Publikum bekannt gemacht werden. Genau darauf zielt das jährliche Symposium Thermal Energy Storage an der Hochschule Luzern mit seinem stark interaktiven und vernetzenden Charakter ab. Neben den Präsentationen im Plenum wurden auch Workshops und eine Ausstellung mit vielen Anschauungsmaterialien angeboten. Anhand der Fragen «Wie weit sind wir gekommen?» und «Was muss noch getan werden?» wurde einerseits das bisher Erreichte miteinander geteilt und andererseits ein Ausblick gewagt, worauf in den nächsten Jahren der Fokus liegen sollte.

Langzeitspeicherung

Fossile Energieträger dienen im heutigen Energiesystem aufgrund ihrer Speicherfähigkeit auch als Energiespeicher. Um die Wärmeversorgung der Schweiz bis 2050 zu dekarbonisieren, müssen diese ersetzt werden. Die Produktion aus erneuerbaren

Energien ist jedoch sowohl im Tages- als auch im Jahresverlauf variabel. Auch die Nachfrage nach thermischer Energie ist Schwankungen unterworfen. Um Erzeugung und Verbrauch in Einklang zu bringen, ist sowohl eine Flexibilisierung der Nachfrageseite als auch der Ausbau von Energiespeichern notwendig. Kurz- und Langzeitwärmespeicher können hierzu einen wesentlichen Beitrag leisten. Eine technische Lösung, die noch zu wenig Beachtung findet.

Politische Rahmenbedingungen

Mit der Mitte Januar 2023 publizierten «Wärmestrategie 2050» zeigt das Bundesamt für Energie (BFE), mit welchen Massnahmen der Umbau der Wärmeversorgung erreicht werden kann (siehe Bild 3): Berücksichtigung von Langzeitspeichern in der Raum- und Energierichtplanung Ermittlung des Wärmespeicherpotenzials in Energiekonzepten

Unterstützung des Ausbaus von Wärmespeichern zur Lastspitzenbrechung und Substitution von fossilen Spitzenlastkesseln

Unterstützung des Ausbaus von Langzeitspeichern in Gebäuden und thermischen Netzen zum Ausgleich von variablen Angeboten und Nachfrage

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Text Daniela Hochradl Bilder HSLU CC TES, BFE, Energie Ausserschwyz AG, aee suisse 10. Swiss Symposium Thermal Energy Storage (SSTES) vom 20. Januar 2023

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Erarbeitung weiterer Grundlagen für die Wärmespeicherung im Untergrund Proprietärer Einsatz von Langzeitspeichern gegenüber Power-to-Gas Prüfung von Förderinstrumenten für Wärmespeicher

Aktuelle Beispiele aus der Schweiz Saisonale Tank- oder Grubenspeicher gibt es in der Schweiz noch nicht. Vereinzelt sind jedoch bereits Anwendungsbeispiele für saisonale Wärmespeichersysteme zu finden. Im Suurstoffi-Areal in Rotkreuz werden Erdwärmespeicher genutzt, um überschüssige Sonnenenergie und Gebäudeabwärme vom Sommer in den Winter zu verlagern. Die Gesamtwärmemenge aus den Erdwärmesonden zur Versorgung der Wärmepumpen beträgt 1600 MWh/a. Weitere Demonstrationsprojekte, welche die Funktionalität und die Vorteile eines Erdwärmespeichers zeigen, sind bei der Familienheim-Genossenschaft und bei der ETH Hönggerberg in Zürich zu finden. Dort wurden mehrere zehntausend Sondenmeter gebohrt, die saisonal bewirtschaftet werden.

Urs Rhyner, Energie Ausserschwyz AG, gab einen Einblick in die Sicht der Energie-

Projekt «Heatstore»

In Rahmen des Heatstore-Projekts werden Aquifer-Speichersystemen an zwei Schweizer Standorten erprobt. Die Abwärme einer Kehrichtverbrennungsanlage soll in den Sommermonaten eingespeichert werden und in den Wintermonaten in ein existierendes Wärmenetz (GeniLac) eingespeist werden. Das Projekt ermöglicht die Bewertung des Wärmespeicherpotenzials für die Entwicklung eines Hochtemperatur-Aquifer-Speichersystems. In dieser Phase konzentriert sich dies auf die technischen, wirtschaftlichen, regulatorischen und sozialen Randbedingungen, die in einer zukünftigen Phase zu einer kommerziellen Implementierung des Systems führen werden.

heatstore.eu/national-project-switzerland-geneva.html

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Bereits zum 10. Mal fand das Swiss Symposium Thermal Energy Storage an der Hochschule Luzern statt.

versorger und zeigte vier Beispiele von thermischen Kurzzeitspeichern in der Schweiz (siehe Bild 4). Ende November 2022 wurde im Kanton Luzern der 33 Meter hohe Heisswasserspeicher mit einem Speichervermögen von 400 MWh bei der Kehrichtverbrennungsanlage Renergia in Betrieb genommen. Der neue Energiespeicher von Agro Energie Schweiz (AES) hat

Sensible Wärmespeicher

Unterirdisch kann Wärmeenergie entweder in Tanks (TTES), direkt im Erdboden in Grubenwärmespeichern (PTES), in Bohrlöchern (BTES) oder in Aquiferen (ATES) gespeichert werden (siehe Bild 5b). Michel Haller vom SPF betonte in seinem Vortrag, dass die Investitionskosten für thermische Energiespeicher sehr niedrig gehalten

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2 Abbildung 5: Zielbild Wärmestrategie 2050 6 ➛ ➛ ➛ ➛ ➛ ➛ ➛ ➛ ➛ ➛

Die Referenten des ersten Blocks zum Thema Sensible Wärmespeicher: Alexander Lüchinger (Ramboll AG), Michel Meyer (SIG), Massimo Fiorentini (Aarhus University), Michel Haller (FH OST) und Moderator Willy Villasmil (CC TES).

Im Zuge des Projekts «BigStoreDH – Grosse Wärmespeicher für Wärmenetze» der OST wurden acht Factsheets erstellt, welche einen Überblick über die verfügbaren Speichertechnologien für Wärmenetze sowie deren Integration und Kosten geben. Die Analysen werden anhand repräsentativer generischer Wärmenetze und für konkrete Fallstudien der beteiligten Industriepartner durchgeführt. Eine zeitnahe Überführung in Pilot- und Demonstrationsprojekte wird angestrebt. Haller meinte, am Anfang seien Förderungen nötig, bis die Industrie sieht, dass es funktioniert.

Download der Factsheets möglich unter: ost.ch > Suche nach «BigStoreDH»

Speicher für thermische Netze

In den nördlichen Ländern haben Fernwärmelösungen bereits eine lange Tradition. Alexander Lüchinger von der Ramboll AG zeigte am Beispiel von «Greater Copenhagen», in welchem Ausmass die saisonale Wärmespeicherung dort bereits eingesetzt wird. In diesem Netzwerk sind fünf Grubenwärmespeicher (PTES) mit 3.3 GWh Speichervermögen in Betrieb. Die Erfahrungen, die in anderen Ländern gemacht wurden,

sollten für die Implementierung in der Schweiz unbedingt genutzt werden. Lüchinger betonte, dass der Support der Regierung sehr wichtig ist. Die grösste Herausforderung in der Schweiz besteht darin, einen Platz für einen Grubenwärmespeicher zu finden und die Landbesitzer zu überzeugen. Als zeitlichen Rahmen nannte Lüchinger drei Jahre von der Planung bis zur Realisierung. Dabei ist allerdings der politische Prozess nicht berücksichtigt. Er schätzte, dass es noch zehn Jahre dauern könnte, bis der erste Speicher gebaut ist. Diese Schätzung kann unterschritten werden, ist aber realistisch. ❭

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Wärmespeicher aus Sicht der Energieversorger Aktuelle Beispiele aus der Schweiz 4 Betreiber AES (alt) EASZ Renergia AES (neu) ? Volumen [m3]60 m3 1450 m3 5000 m3 28 000 m3 Druck atm atm 4.5 bar atm Energie [MWh] 3 MWh 60 MWh 400 MWh 1200 MWh Zeit StundenStunden Stunden Tage Saisonal Zeit, Volumen, Preis

Überblick über verfügbare unterirdische Speicherkonzepte

Hochtemperatur-Bohrlochspeicherung

Die Wärmespeicherung in Bohrlöchern (BTES, siehe Bild 5b) bietet eine Möglichkeit für die langfristige Speicherung thermischer Energie. Die Betriebsoptimierung ist entscheidend für die volle Ausschöpfung ihres Potenzials. Massimo Fiorentini von der Aarhus University stellte ein Simulationsmodell vor, mit dem Ziel, Kosten und CO2-Emissionen zu minimieren. Durch diese Optimierung können die besten Betriebsbedingungen für ein wärmepumpenbetriebenes BTES bestimmt werden. Die Ergebnisse für ein beispielhaftes wärmedominiertes Fernwärmenetz zeigen, dass eine geringere relative CO2-Intensität im Sommer im Vergleich zu der im Winter zu einer höheren optimalen Betriebstemperatur des Speichers führt. Wenn die Umweltkosten stärker berücksichtigt werden, ändert sich die optimale Grösse des Speichers bei unausgeglichener Kühlung und Erwärmung nicht, der Betrieb jedoch schon. Mit der Möglichkeit, Solarladung hinzuzufügen, führt eine grössere Bedeutung der CO2-Emissionsreduzierung zu einem grösseren Speicher und höheren Temperaturen.

Nutzung von Aquiferen

Michel Meyer von den Services Industriels de Genève (SIG) erläuterte, welches Potential bestehende Aquifere (Grundwasserleiter) als Wärmespeicher in Fernwärmenetzen bieten. Technisch ist diese Variante identisch mit der Netto-Entnahme von

Wärme, mit dem Unterschied, dass sich die Richtung des Wärmeflusses während der Sommermonate umkehrt. Bei oberflächennahen Aquifer-Speichersystemen muss die Wärme in der Regel mit einer Wärmepumpe auf das Temperaturniveau des Fernwärmenetzes angehoben werden. Bei Tiefenaquiferen kann die Wärme meist direkt genutzt werden. Meyer fordert, dass der sehr restriktive gesetzliche Rahmen für Grundwasser flexibler werden müsse; nicht nur, um das Grundwasser weiterhin gut zu schützen, sondern auch, um Lösungen für die thermische Speicherung zu ermöglichen. Derzeit erlaubt die Gesetzeslage in der Schweiz nicht mehr als einen Temperaturanstieg von drei Kelvin. Meyer fasste zusammen: Es geht jetzt vor allem darum, ein Projekt durchzubringen, damit daraus Lehren für zukünftige Konzepte gezogen werden können.

Latente und thermochemische Wärmespeicherung

Bei Latentwärmespeichern wird Wärme durch Änderung des Aggregatzustands eines Materials gespeichert. Beim Schmelzen von beispielsweise Salzen oder Paraffinen wird Wärme im Material gespeichert. Beim Erstarren des Materials wird die Wärme wieder freigesetzt. Ein bekanntes Alltagsbeispiel sind die Handwärmer mit dem Metallplättchen, das geknickt werden muss, um die Wärmefreisetzung zu starten. Ein thermochemischer Speicher ist ein Wärmespeicher, der umkehrbare Reaktio -

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Technologie-Radar der thermischen Energiespeicher
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nen zur Speicherung von Wärme nutzt. Eine endotherme Reaktion speichert Wärme, eine exotherme Reaktion gibt Wärme ab.

Latente und thermochemische Wärmespeicher sind in der Regel mit weniger Verlusten behaftet. Herausforderungen und Einschränkungen sind beispielsweise der tiefe Technology Readiness Level (TRL) oder die Komplexität der Speichermaterialien. In der zweiten Session erläuterten vier Experten aus dem Fachbereich den aktuellen Stand der Technik. Die Sitzungsleitung führte Anastasia Stamatiou (CC TES). Sie übernimmt von nun an die Organisation des Symposiums von Jörg Worlitschek.

Potenzial und Anforderungen

Im Positionspapier des Forums Energiespeicher Schweiz wird angegeben, dass saisonale Wärmespeicher den Winterstrombedarf um 4 TWhel und damit den zusät zlichen Winterstrombedarf theoretisch um bis zu 40 Prozent reduzieren können. Trotz dieses erheblichen Potenzials zur Vermeidung einer Strommangellage blieben saisonale Wärmespeicher bisher oft unberücksichtigt. Am Symposium wurden in kleinen Gruppen die aktuellen Herausforderungen aus verschiedenen Perspektiven betrachtet. Die Wissenschaft sieht ihren Beitrag in der Bereitstellung von Designtools, Referenzfällen und Benchmarks. Zudem sollen Informationen und Entscheidungshilfen für politische wie auch private Entscheidungsträger zur Verfügung gestellt werden. Als weiteres Aufgabengebiet wurde die Koordination der offenen Datenerfassung und -bereitstellung auf nationaler Ebene (zusammen mit dem BFE, swisstopo usw.) genannt. Weitere Ziele sind die Reduktion der Kosten sowie die Erhöhung des Technology Readiness Level (TRL). Die Industrie sieht sich in der Pflicht, die ersten Pilotprojekte umzusetzen und Businessmodelle zu erstellen. Von der Politik werden vor allem Anreize, wie dynamische Strompreise, klare Vorschriften und Ziele (Beispiel: 1 TWh bis 2030, 5 TWh bis 2050) und mehr Mittel zur Schliessung von Wissenslücken gefordert.

Make it Sexy – Make it Cool

Aus Sicht der neuen Generation ist vor allem die Schaffung von Austauschplattformen (von Alt zu Jung sowie von der Wissenschaft zur Öffentlichkeit) wichtig, um die Informationen zugänglich zu machen. Ausserdem muss die Attraktivität der Technologie mehr beworben und bekannt gemacht werden. Saisonale Wärmespeicher sind eine vielversprechende Techno-

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Im zweiten Block über die latente und thermochemische Wärmespeicherung referierten: Henk Huinink (TU Eindhoven), Andrew Bissel (Sunamp AG), Alexis Sevault, (SINTEF), Helena Navarro und Moderatorin Anastasia Stamatiou (CC TES).
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Die Referenten des dritten Blocks: Marc Linder (DLR Stuttgart), Urs Rhyner (Energie Ausserschwyz AG), Leo Sasso-Clopath (Geoimpact AG), Paolo Gabrielli (ETH) und Moderator Philipp Schütz (CC TES)

logie, um erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie effektiv zu nutzen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren.

«Lasst uns die ersten Saisonspeicher in der Schweiz erstellen!»

Mit diesem Aufruf fasste Jörg Worlitschek die gemeinsame Vision zusammen. Er wies auf die Verantwortung aller Teilnehmen-

den hin, diesen Schritt Wirklichkeit werden zu lassen. Dabei sollte die Notwendigkeit der Kommunikation keinesfalls unterschätzt werden. Das Symposium will auch in Zukunft zu einer besseren internationalen und interdisziplinären Vernetzung und Zusammenarbeit beitragen und wird am 26. Januar 2024 erneut durchgeführt. ■

hslu.ch/sstes

In verschiedenen Workshops wurden die aktuellen Herausforderungen aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet.

Was ist der TRL?

Der Technology Readiness Level (TRL), auf Deutsch der Technologie-Reifegrad, ist eine Skala zur Bewertung des Entwicklungsstands von neuen Technologien auf der Basis einer systematischen Analyse. Er gibt auf einer Skala von 1 bis 9 an, wie weit entwickelt eine Technologie ist. Entwickelt wurde der TRL 1988 von der NASA für die Bewertung von Raumfahrttechnologien, davon ausgehend hat er sich als Standard in weiteren Bereichen der Zukunftstechnologien entwickelt.

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