Glasfaserverstärkte Kunststoffe für den Wärmespeicherbau

Projekt Info 02/03
07.05.2003
11:17 Uhr
Seite 2
BINE
Informationsdienst
Glasfaserverstärkte Kunststoffe
für den Wärmespeicherbau
Abb 1
© Kostengünstige Wärmespeicher-
Technologie mit hoher Lebensdauer, guten
Dämmwerten und Materialeigenschaften
© Neue Werkstoffe ermöglichen
baukonstruktive Vorteile und flexible
Speichergeometrien
© Auch als Kurzzeit-Wärmespeicher zur
solaren Warmwasserbereitung einsetzbar
Tragwerke aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) sind eine Alternative
zu gängigen Betonkonstruktionen für die saisonale Wärmespeicherung
N
eben Stahltanks sind Wärmespeicher aus glasfaserverstärkten Kunststoffen eine Alternative zu Betonkonstruktionen. Diese neue Fertigungstechnologie soll auch
zur nachhaltigen Senkung der Gesamtkosten beitragen; auf der Basis
hoher Lebensdauer, variabler Geometrien und guter Dämmwerte.
Daneben werden Wärmespeicher aus GFK-Verbundstoffen auch
schon als Kurzzeitspeicher zur solaren Warmwasserbereitung erprobt.
Die zeitliche Verschiebung zwischen Solarstrahlungsangebot im
Sommer und Heizwärmebedarf im Winter hat dazu geführt, dass Solarenergie in unseren Breiten vor allem für die Trinkwassererwärmung von Frühjahr bis Herbst genutzt wird. Große Solaranlagen mit
Langzeit-Wärmespeichern haben die Aufgabe, solare Wärme im
Winter zur Verfügung zu stellen. Mit der längerfristigen Speicherung
der Solarwärme kann der solare Deckungsanteil am Gesamtjahreswärmebedarf (Trinkwassererwärmung und Heizung) auf ca. 50% erhöht werden, allerdings bei gleichzeitig zunehmenden solaren Wärmekosten. In Deutschland sind bisher nur wenige große Langzeitwärmespeicher-Pilot- und Demonstrationsanlagen im Einsatz; bei Speichergrößen zwischen 500 bis maximal 20.000 Kubikmeter Volumen
(Wasseräquivalent). Drucklose Stahltankbehälterspeicher, die heute
bereits in Fernwärmenetzen als Pufferspeicher eingesetzt werden,
sind Stand der Technik. Zur Langzeit-Wärmespeicherung wurden
bisher verschiedene weitere Speicherkonzepte untersucht und erprobt: Kies-Wasser-, Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher sowie
Heißwasser-Wärmespeicher aus (Hochleistungs)-Beton und aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK). Vielseitige Einsatzbereiche eröffnen sich besonders dem letztgenannten Speichertyp. Ziel der Entwicklungen war eine Verringerung der spezifischen Speicherbaukosten
bei gleichzeitiger Verbesserung der technischen Kennwerte (Lebensdauer, Reduzierung der Wärmeverluste).
Entwicklung und Begleitforschung an Heißwasser-Wärmespeichern
aus GFK wurden seit 1994 an der Technischen Universität Ilmenau
in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie - insbesondere der
Verbundwerkstoff- und Kunststoffanwendungstechnik GmbH
Schönbrunn (VKA) - betrieben. Zwei Projekte wurden seit 1998 vom
Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) im Rahmen
des Förderkonzepts „Solarthermie-2000, Teilprojekt 3: Solare Nahwärme“ gefördert und 2002 abgeschlossen.
Projekt Info 02/03
©
07.05.2003
11:18 Uhr
Erprobte Speicherkonzepte
Drucklose Heißwasser-Wärmespeicher sind
vielseitig einsetzbar. Sie können unabhängig
von der Geologie und auch in kleiner Baugröße, z.B. als Wärmespeicher für einen
Zeitraum von Tagen bzw. Wochen, eingesetzt werden. Bei saisonalen Wärmespeichern wird der Behälter bislang üblicherweise
aus Stahlbeton hergestellt (Pilotanlagen in
Hamburg-Bramfeld, Friedrichshafen-Wig-
©
Am Speicher – meist ein Zylinder mit Kegelstumpf – wird eine außenliegende Wärmedämmung angebracht. Als Dämmstoffe
kommen je nach Temperaturbereich Mineralfaser, Schaumglas oder Blähglasgranulat
zum Einsatz, die zumeist gegen Feuchtigkeit
geschützt werden müssen.
Abb 2: Kenndaten realisierter Wärmespeicher-Konstruktionen (inkl. Prototypen) im Überblick
Speicherkonstruktion
Beton-Speicher
Stahltanks
GFK-Speicher
Einsatzbereiche
Saisonale Wärmespeicherung; solarunterstützte
Nahwärmeversorgung
Kurzzeitspeicherung; z.T.
auch saisonale Wärmespeicherung
Saisonale, z.T. KurzzeitWärmespeicherung;
solarunterstützte
Nahwärmeversorgung
Speichervolumen
600 - 12.000 m3
ab 0,2 - 100 m3;
in großen Fernwärmenetzen bis zu 10.000 m3
300 - 6.000 m3
Wärmedämmung
wasserdichter Spezialbeton bzw. HfB und HLB
oder innenliegende Auskleidung
Dämmung: Glas- oder
Mineralfaser, Schaumglas
oder Blähglasgranulat
allseitig gedämmte Stahlumwandung
GFK-Außen- und Innenwände mit integrierter
PU-Hartschaumschicht
(Sandwichpaneele)
Investitionskosten
(volumenbezogen)
450 - 120 Euro/m3
3.000 - 600 Euro/m3
(Angabe für 0,2 bis 100 m3)
bei Großspeichern
(10.000 m3): unter
100 Euro/m3
724*1 Euro/m3
432*2 - 125 Euro/m3
*1 Pilotspeicher Schortetal
*2 Neue Fertigungstechnologie (ab 300 m3)
Erster Pilotspeicher in Ilmenau
Das GFK-Konzept ist aus dreijährigen Betriebserfahrungen (Materialtests) mit einem
Musterspeicher sowie dem 300 m3-Pilotspeicher im Schortetal bei Ilmenau entstanden.
Im Vergleich zu bisherigen Fertigungsmethoden für große Speicher aus silikatischen
oder metallischen Werkstoffen sollten technische und wirtschaftliche Verbesserungen
erreicht, darüber hinaus verschiedene Systeme zur geschichteten Be- und Entladung
Abb 3: Aufbau des ersten Ringes in
Sandwichkonstruktion
2
genhausen und Hannover-Kronsberg) und
weitgehend ins Erdreich eingebaut, bzw.
möglichst unauffällig in die Landschaft des
Baugebiets integriert. Falls die Wasserdichtigkeit nicht durch spezielle Betonmischungen wie in dem HLB-Speicher in HannoverKronsberg gewährleistet ist, muss der
Speicher innen zusätzlich mit einem einige
mm dicken Stahlliner ausgekleidet werden.
Wärmespeicher aus Verbundkunststoffen
Warum glasfaserverstärkte
Kunststoffe ?
GFK ist ein Verbundwerkstoff aus Glas und
synthetischen Polymeren. Er vereint hohe
Reißfestigkeit mit Korrosions- und Medienbeständigkeit. Neben den Werkstoffkomponenten bestimmen Wandaufbau und
Fertigungstechnik das endgültige mechanische und chemische Profil des GFK-Bauteils, mit dem sich vorgegebene Speichergrößen oder -geometrien im Allgemeinen
gut umsetzen lassen.
Der Aufbau des Tragwerkes besteht aus
GFK-Verbundmaterialien, die Speichertemperaturen bis zu 95°C zeitlich unbegrenzt
zulassen. Die Dämmwirkung wird durch
die Verwendung von PUR (Polyurethan)Hartschaum erreicht, der in das Tragwerk
zwischen Innen- und Außenwand integriert
ist. Hierdurch ist eine Durchfeuchtung der
Dämmschicht während der Betriebszeit des
Speichers ausgeschlossen.
©
Seite 3
BINE projektinfo 02/03
für den Einsatz in großen Langzeit-Wärmespeichern weiterentwickelt werden.
Für einen Prinziptest und zur Materialvorauswahl wurde ein Musterspeicher mit 1,3 m3
Speichervolumen realisiert und an der TU
Ilmenau vermessen. Auf dieser Grundlage
wurde der 300 m3 GFK-Pilotspeicher entwickelt und 1997 am Standort Schortetal bei
Ilmenau nach umfangreichen Zulassungsund Genehmigungsverfahren errichtet.
Abb 4: Sandwichelemente mit unterschiedlichen Dämmstärken
Abb 5: Fertig montierter 300 m3-GFKPilotspeicher
Projekt Info 02/03
©
07.05.2003
11:18 Uhr
Seite 4
Probebetrieb und Messprogramm
Im Zuge des Probebetriebs wurden typische
Speicherkennwerte ermittelt sowie ein neues thermisches Be- und Entladesystem (mit
TRNSYS) simuliert und berechnet. Für das
Konzept und die eingesetzten Materialien
konnte der prinzipielle Eignungsnachweis
erbracht werden.
Der Speicher wurde mit Hilfe von 2 Wärmepumpen zunächst bis 60°C aufgeheizt.
© Kenndaten des Pilotspeichers im Schortetal
Speichervolumen: 300 m3 (maximal 325 m3)
■ Temperatur:
bis 95°C
■ Gesamthöhe außen: 8 m
■ Innendurchmesser: 7,2 m
■ modularer Aufbau mit Segmentschalen
■ Wandaufbau als Sandwichkonstruktion:
Außenschicht aus 6-10 mm GFK,
ungesättigte Polyester als Matrix;
Kern aus 150 mm PU-Hartschaum;
Innenschicht aus 6-10 mm GFK,
Vinylesterharze als Matrix
■ Flachdach mit gleichem Querschnitt
■ Boden nicht isoliert
■ Verschiedene Belademöglichkeiten:
Schichtenbeladung, 2 Wärmepumpen bis 60°C,
35 kW Flüssiggasbrennwerttherme für
Beladung über 60°C
Gleichzeitig wurde ein Entladekreis installiert, der über einen vorhandenen Wärmetauscher die gezielte Lastsimulation erlaubt.
Nach zweieinhalb Monaten wurde die Beladung bei einer maximalen Temperatur
von 82°C beendet. Es war keine weitere
Aufheizung durch die eingeschränkte Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und
Rücklauf möglich. Der entgegen den Er-
Abb 7: Thermografieaufnahme im
Anschlussfeld des 300 m3 Pilotspeichers: Im Gegensatz zur
Speicherwand sind deutliche
Wärmeverluste erkennbar.
Abb 6: Schnittbild des 300 m3 GFK Pilotspeichers
Innenleiter
■
©
Entwässerung
Fundament
Erdreich
wartungen aus den TRNSYS-Berechnungen
um 15% höhere U-Wert von 0,282 W/m2K
war auf den Einfluss des nicht isolierten
Speicherbodens und der ungenügenden
Ausführung der Dachkonstruktion mit erhöhten Wärmeverlusten zurückzuführen.
Zusätzlich bewirkte die defekte Schichtenbeladevorrichtung eine nur geringe Temperaturschichtung.
Während der Abkühlphase wurden Thermographieaufnahmen angefertigt, die nur
die Stege der GFK-Segmente als „Wärmebrücken“ anzeigen. Die Wandsegmente bilden auf Grund der guten Isolation eine gute
Barriere gegen Wärmeverluste.
Neue Fertigungstechnologie
Der 3-jährige Probebetrieb des 300 m3 Pilotspeichers im Schortetal lieferte die entscheidenden Erkenntnisse für die Weiterentwicklung der GFK-Speichertechnologie. So
wurde ab April 1998 die VerbundwerkAbb 8: Fertiggestellter 20 m3 GFK-Musterspeicher neuer Technologie in
Schönbrunn
stoff- und Kunststoffanwendungstechnik
GmbH (VKA) in Schönbrunn/Thüringen
mit der Entwicklung eines neuen Fertigungsverfahrens beauftragt. Ziel war die
Senkung der spezifischen Material-, Fertigungs- und Montagekosten, verbunden mit
dem Funktionsnachweis an einem Prototypen mit 20 m3 Speichervolumen.
Neue Fertigungstechnologie heißt: Einsatz
industriell vorgefertigter Platten-Sandwichpaneele mit Plattenmodulen bis 7,5 m Länge,
Abb 9: Musterspeicher und 30 m2
Kollektorfeld
2,5 m Breite und bis 20 cm Dicke. Eine an
die benötigten Speichergrößen angepasste
Wickelkonstruktion aus GFK-Rundprofilen übernimmt – angelehnt an die traditionelle Fassbauweise – die Umfangskräfte. Im
Vergleich zu bisherigen Fertigungsmethoden für große Speicher sollen auch verbesserte Wärmedämmwerte erreicht werden.
Ziel war ein Wärmedurchgangskoeffizient
U von 0,23 W/m2K.
Realisiert wurde der Musterspeicher in
Schönbrunn aus GFK-Platten (6 bis 10 mm
Stärke) mit einer 150 mm PU-HartschaumZwischenschicht. Die Speichersegmente
sind senkrecht stehend angeordnet. Eine
Verschraubung der einzelnen Segmente entfällt. Die Montage wird dadurch erleichtert
und verkürzt. Glasfaserseile mit Spannvorrichtung umfassen die Segmente und dienen
zur Aufnahme der Kräfte. Im Vergleich zum
Abb 10: Segmente, mit Montagehilfen
zusammengefügt
Speicher Schortetal sind die Segmente geometrisch einfacher aufgebaut. Für die Fertigung
bei Speichergrößen von 100 bis 6.000 m3 ist
damit nur ein Formwerkzeug notwendig.
Die Aufstellung kann wahlweise oberirdisch, gebäudeintegriert, oder teilweise bzw.
vollständig eingegraben erfolgen. Verbesserte Dämmwerte werden durch die Isolation des Bodens sowie die sorgfältige Ausführung der Fugen und des Daches bewirkt.
Nach innen führende Anschlussleitungen
aus Kunststoff vermeiden zusätzlich Wärmebrücken.
BINE projektinfo 02/03
3
©
07.05.2003
11:17 Uhr
Seite 1
Betriebsergebnisse
PROJEKTORGANISATION
Der 20 m3-Speicher ist an eine Solaranlage mit 30 m2 Kollektorfläche gekoppelt, kann
aber auch über die vorhandene Heizungsanlage beladen werden. Während des laufenden Versuchsbetriebes wurde der U-Wert des Speichers ermittelt. Das Versuchsprogramm diente außerdem zum Test ausgewählter Schichtenladeeinrichtungen und
zur Dokumentation des zu erreichenden Schichtungseffektes bei verschiedenen Lastfällen. Durch die Kopplung mit einer Solaranlage und die Einbindung als Heizungsunterstützung wird der Speicher unter Praxisbedingungen betrieben. Der Versuchsbetrieb ist inzwischen abgeschlossen.
Entwickelt wurde eine einsatzfähige Baureihe inklusive Kostenkalkulationen und
Konstruktionsunterlagen für Speichervolumina von 100, 300, 900 und 1.000 - 6.000 m3.
Eine wirtschaftliche Bewertung des Aufwandes und der Baukosten für die jeweiligen
Speichergrößen ergab Richtpreise pro umbautem Kubikmeter beim 300 m3-Speicher
von ca. 432 Euro; beim 6000 m3-Speicher auf ca. 125 Euro sinkend.
©
Fazit, Perspektiven
PROJEKTADRESSEN
• Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau
FG Thermo- und Fluiddynamik
Jürgen Bühl
Postfach 10 05 65
98684 Ilmenau
Verbundwerkstoff- und
Kunststoffanwendungstechnik
GmbH (VKA)
Prof. Dr. Berthold Knauer
An der Talsperre
98667 Schönbrunn
4
BINE projektinfo 02/03
▼
▼
Die GFK-Speichertechnologie zeichnet sich vor allem durch geringen Bauaufwand und
einfache Vorfertigung aus. Entwickelt wurden mobile Speichersysteme mit geringem
Gewicht, zudem korrosions-, UV- und hitzebeständig. Pilotanwendungen bestätigen
die Eignung für hohe Speichertemperaturen, lange Lebensdauern sowie eine hohe Anpassungsfähigkeit der Konstruktion an veränderte Projekt- und Standortbedingungen.
Die Baugröße von GFK-Speichern ist variabel gestaltbar. Grundsätzlich sind sie für
Speichergrößen von 50 bis 6.000 m3 geeignet. Marktchancen ergeben sich eher im mittleren Größensegment (etwa 100-1.000 m3). Dieses Segment kann künftig als Tages-,
Wochen oder Monatsspeicher an Bedeutung gewinnen. Über große Kollektorfelder
und eher geringere Speichervolumina können im Vergleich zu Großspeichern bei solaren Deckungsgraden von ca. 30-40% günstigere Wärmepreise vor allem für die Versorgung kleinerer Wohnsiedlungen mit weniger kompakter Bebauung erzielt werden.
Vorteile bietet zusätzlich die Kombination solarer Nahwärmeversorgung mit Biomassenutzungs- oder Kraft-Wärme-Kopplungssystemen. Die meisten Erfahrungen
mit der Kombination Solar-Biomasse wurden in den letzten Jahren in Österreich gemacht. Dabei deckt die Solaranlage umweltfreundlich und kostendeckend den Sommerbetrieb ab, der ansonsten auf Grund der geringen Auslastung mit ineffizientem Betrieb des Biomasse-Heizkessels und erhöhten Emissionen verbunden wäre. Hier ist
eine weitere Erprobung erforderlich.
GFK-Speicher sind auch für die reine Warmwasserbereitung bzw. die Trinkwasserversorgung einsetzbar. Im Rahmen des Förderkonzepts „Solarthermie-2000“ wurde
diese Anwendungsoption u.a. in Weißenfels getestet: bei Volumina bis maximal 20
Kubikmeter. Die Kosten waren denen konventioneller Stahlspeicher vergleichbar. Die
ursprünglichen Erwartungen, deutlich darunter zu bleiben, erfüllten sich jedoch zumindest bei den ersten Speichern bisher nicht. Bei größeren Stückzahlen kann jedoch
auch ein Kostensenkungspotenzial erwartet werden.
Zurzeit konkurrieren die verschiedenen Speicherkonzepte auf einem überschaubaren
Markt, der zudem stark auf öffentliche Förderung angewiesen ist. Im Bereich der saisonalen Großspeicher stehen GFK-Speicher im Wettbewerb mit Heißwasser-Wärmespeichern aus Stahl oder Beton sowie mit Kies-Wasser-Wärmespeichern.
■ Förderung
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz
und Reaktorsicherheit (BMU)
Postfach 12 06 29
53048 Bonn
Projektträger Jülich (PTJ) des BMWA und BMU
Dr. Volkmar Lottner
Forschungszentrum Jülich GmbH
52425 Jülich
■ Förderkennzeichen
0329606Q, 0329606R
IMPRESSUM
■ ISSN
0937 – 8367
■ Herausgeber
Fachinformationszentrum Karlsruhe,
Gesellschaft für wissenschaftlich-technische
Information mbH
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
■ Nachdruck
Nachdruck des Textes nur zulässig bei
vollständiger Quellenangabe und gegen
Zusendung eines Belegexemplares;
Nachdruck der Abbildungen nur mit
Zustimmung der jeweils Berechtigten.
■ Autor
Uwe Friedrich
BINE – INFORMATIONEN UND
IDEEN ZU ENERGIE & UMWELT
BINE ist ein vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Arbeit geförderter
Informationsdienst.
BINE informiert über neue Energietechniken und deren Anwendung in
Wohnungsbau, Industrie, Gewerbe und
Kommunen.
BINE bietet Ihnen folgende
kostenfreie Informationsreihen
■ Projekt-Infos
■ Themen-Infos
■ basisEnergie
Nehmen Sie mit uns Kontakt auf,
wenn Sie vertiefende Informationen,
spezielle Auskünfte, Adressen etc.
benötigen, oder wenn Sie allgemeine
Informationen über neue Energietechniken wünschen
ERGÄNZENDE INFORMATIONEN
Service
• Ergänzende Informationen wie Literatur,
Adressen, Ansprechpartner und InternetLinks sind unter www.bine.info, „Service/
InfoPlus“ abrufbar.
BINE
Informationsdienst
Fachinformationszentrum Karlsruhe
Büro Bonn
Mechenstr. 57
53129 Bonn
Fon:
Fax:
0228 / 9 23 79-0
0228 / 9 23 79-29
E-Mail: [email protected]
Internet: www.bine.info
DESIGN WORKS, Bonn
Projekt Info 02/03