Ausgangssituation, Motivation und Forschungsfragen

Der Übergang zu erneuerbaren und nachhaltigen Energiesystemen stellt weltweit eine große Herausforderung dar, insbesondere in Europa, wo ehrgeizige Ziele zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien im Energiemix festgelegt wurden. Um einen hohen Anteil variabler erneuerbarer Energien erfolgreich zu integrieren, müssen Wege gefunden werden, um Angebot und Nachfrage auszugleichen, wobei Speichertechnologien eine entscheidende Rolle spielen. Die wirtschaftlich motivierte Auswahl, Netzstrom bei preiswerten Stundenpreisen zu beziehen und im Konzept Eisspeicher NEU thermisch zu nutzen, beinhaltet zukünftig auch die Nutzung von Windstromspitzen. Die steigende Verbreitung von Luft-Wasser-Wärmepumpen motiviert, nach Wegen für einen netzdienlichen Betrieb bei kühlen Außentemperaturen zu suchen.

Die folgenden Forschungsfragen stellen sich hierzu:

• Wie kann ein Eisspeicher die Effizienz von Wärmepumpen verbessern und effizienter und preisgünstiger werden?
• Wie kann ein Eisspeicherabsorber konstruktiv gestaltet werden, um schnelle Gefrier- und Abtauvorgänge möglich zu machen?
• Mit welchen optimierten Oberflächenbeschichtungen kann der Eisspeicherabsorber beschichtet werden?
• Welche Optionen bieten zusätzlich integrierte Phasenwechselmaterialien (PCM)?
• Wie kann ein Eisspeicherabsorber konstruktiv gestaltet werden, um möglichst kompakte Abmessungen möglich zu machen?
• Können durch den preisgesteuerten Betrieb eines Wärmepumpen-Eisspeichersystems Kosten und CO2-Emissionen eingespart werden und wie kann die Integration von Wärmepumpen-Eisspeichersystemen im österreichischen Energiesystem bis 2050 dazu beitragen, die Abregelung erneuerbarer Energien zu minimieren?

Projekt-Inhalte und Zielsetzungen

Die Projektinhalte und die erweiterten Ziele sind:

• Weitgehende Nutzung vorhandener Komponenten, Technologien und Bauverfahren
• Erweiterungsmöglichkeit von konventionellen Wärmepumpenkonzepten
• Verkleinerung des Volumens und des Flächenbedarfs von Eisspeichern
• Dadurch Reduktion der Kosten im Vergleich zu konventionellen Eisspeichern gleicher Wärmeleistung
• Preisgesteuerte Optimierung des Wärmebedarfs und resultierend des Netzstrombedarfs bei Betrieb eines Wärmepumpen-Eisspeichersystems

Methodische Vorgehensweise

Für die Realisierbarkeit des Konzepts Eisspeicher NEU werden die besten verfügbaren Komponenten und Geräte identifiziert und mittels bestehender Forschungsergebnisse fehlende „Verbindungsstücke" aufgezeigt. Basierend darauf wird die funktionale Konfiguration des neuen Systems dargestellt und eine realistische Einschätzung der Effizienzsteigerungen vorgenommen. Ökonomische Analysen umfassen die Untersuchung von Lastverschiebungseffekten mittels eines dynamischen Optimierungsmodells des Strommarkts. Es wird ein Bottom-up Energiemodell entwickelt, gefolgt von der Analyse dynamischer Energieszenarien zur Untersuchung der optimierten Einbindung erneuerbarer Energien und erforderlicher Speicherkapazitäten. Zudem werden Stromkosten eines Einfamilienhaushalts analysiert, basierend auf Wetterdaten und dynamischen Strompreisen mit und ohne Eisspeicher.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die Umsetzung des Konzepts Eisspeicher NEU zeigt vielversprechende Möglichkeiten zur effizienten Nutzung von vorhandenen Komponenten und Technologien. Es ermöglicht die Erweiterung konventioneller Wärmepumpensysteme, reduziert Volumen und Flächenbedarf und senkt Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Eisspeichern gleicher Leistung. Die Trennung des Wärme- und Strombedarfs während Zeiten hoher Stromnachfrage ermöglicht Flexibilität, insbesondere während kalter Winternächte oder Dunkelflaute durch die Nutzung von Wärme aus dem Erdreich.

Die Entwicklung des Eisspeicher NEU umfasst bivalente Betriebsweisen, vertikale metallische Wärmetauscherplatten, elektrisch beheizbare Beschichtungen, thermische Abkopplung nach oben und Ankopplung mit CO2-Erdwärmerohren nach unten sowie die Integration von PCM-Kapseln zur Steigerung der Wärmespeicherkapazität. Die Regeneration des Eisspeicher NEU erfolgt einerseits über Außenluft-Absorber sowie direkt-elektrisch, was durch günstige Stundentarife bei Windstromspitzen ermöglicht werden soll.

Eine komplexe Simulation ist erforderlich, um thermische Effekte zu erfassen und um eine genaue Dimensionierung vorzunehmen. Das macht eine konkretere Dimensionierung und vor allem die Berechnung der notwendigen Tiefe des CO2-Erdwärmerohrs derzeit noch nicht möglich. Daher ist derzeit auch eine Kostenkalkulation und die dynamische Simulation der Integration des Konzepts Eisspeicher NEU in Gebäudeenergiesysteme und Gebäudequartierssysteme noch nicht umsetzbar.

Mittels Simulationen des zukünftigen Energiesystems zeigen sich positive Auswirkungen auf das Energiesystem, indem die Nutzung fossiler Kraftwerke reduziert und ungenutzter Stromüberschuss vermieden wird. Trotz vielversprechender Aspekte sind die Investitionskosten für konventionelle Wärmepumpen-Eisspeichersysteme basierend auf Kostenrecherchen aufgrund der zusätzlichen Anschaffungskosten höher als bei alleiniger Nutzung der Wärmepumpe, selbst bei dynamischer Optimierung nach Strompreisen. Die Zukunft solcher Systeme hängt von Faktoren wie Energie- und CO2-Preisen ab. Ein Anstieg des CO2-Preises könnte höhere Kosteneinsparungen ermöglichen. Die Studie zeigt, dass eine Beteiligung der Verbraucher:innen auf Haushaltsebene möglich ist und zu Energieeinsparungen führen kann. Ein dynamischer und marktwirtschaftlicher Rahmen ist daher unerlässlich, um Verbraucher:innen zu motivieren.

Ausblick

Eine Weiterentwicklung des Konzepts durch Erprobung eines Prototyps wäre sinnvoll und wünschenswert. Für die notwendige Erfassung und Simulation der komplexen thermischen Vorgänge und die Wahl geeigneter weiterer Projektpartner:innen ist es sinnvoll, die Ergebnisse weltweit laufender Forschungsprojekte abzuwarten.

Projektleitung

Schöberl & Pöll GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

TU-Wien - Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe (ESEA), Energy Economics Group (EEG)

Schöberl & Pöll GmbH
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