nt 02 | 2021 Großwärmespeicher
Abdichtung von großvolumigen Wasserwärmespeichern
Ein Konsortium aus Forschungs- und Industriepartnern arbeitet im österreichischen Forschungs-Leitprojekt „gigaTES“ im Rahmen des Energieforschungsprogramms des Klima- und Energiefonds an der Entwicklung von Abdichtungslösungen für großvolumige Wasserwärmespeicher.
Kunststoff
Für die Abdichtung von Erdbeckenwärmespeichern mit einem Temperaturniveau bis zu 80 °C haben sich Kunststoffliner auf Basis von Polyethylen-Rohrwerkstoffen (PE) mit einer Dicke von 2 mm bewährt. Mittlerweile kommen PE-Linerbahnen mit einer Breite von 6 bis 7 m zur Anwendung. Die PE-Liner werden im Heißkeilschweißverfahren verbunden, wobei die Keiltemperatur bei etwa 300 °C liegt und die Verschweißung als Doppelnaht ausgeführt ist. Der Mittelkanal der Doppelnaht wird für die Dichtigkeitsprüfung der Schweißnaht genutzt. Richtpreise für installierte PE-Liner liegen bei 16 €/m2, wobei 4 bis 5 €/m2 auf die Verschweißung entfallen [1]. Neben PE wurde im gigaTES Projekt ein Polyolefinliner auf Basis einer speziellen Polypropylen-Type (PP-HTR) entwickelt und umfassend bezüglich der Langzeitbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen charakterisiert. Im Gegensatz zu PE ist mit dem PP-HTR-Liner eine Verdopplung der Lebensdauer auf über 50 Jahre bei einem 30/80 °C-Temperaturbelastungsprofil möglich. Zudem ergaben Untersuchungen auf Laborebene für PP-HTR eine Lebensdauer von mehr als 30 Jahren bei einem 60/90 °C-Temperaturbelastungsprofil [2-4].
Edelstahl und Barriereliner
Als Alternative zu Kunststofflinern werden zumindest im Rahmen von Entwicklungsprojekten Edelstahllösungen untersucht und propagiert. Edelstahlliner würden wasserdampf- und sauerstoffdichte Großwärmespeicher ermöglichen, was die kontinuierliche Behandlung des Wärmeträgers Wasser vereinfachen würde. Derzeit ist zum Korrosionsschutz der Schwarzstahlrohrleitungen und -verteilerkomponenten der pH-Wert auf 9,0 bis 9,5 eingestellt [1]. Gasdichte Liner könnten ebenso in Hybridbauweise aus Kunststoffdecklagen und metallischen Barrierelagen realisiert werden. Edelstahlliner und Hybrid-Barriereliner sind derzeit noch Gegenstand von grundlegenden Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten, wobei bei den Hybrid-Barrierelinern besonderes Augenmerk auf die Langzeithaftung und somit auf die neuartigen Klebermaterialien gelegt wird.
Beton
Im gigaTES Projekt wurde das Augenmerk auch auf die Untersuchung der Langzeitbeständigkeit von unterschiedlichen Betonsorten (Spritz-, Schlitzwand- und Weiße-Wanne-Beton) in direktem Kontakt mit Heißwasser gelegt. Für die Exposition der von Smart Minerals hergestellten, zylindrischen Betonprüfkörper mit einem Durchmesser von 5 cm wurden Autoklaven genutzt, die mit Wasser befüllt und in Wärmeschränken bei Temperaturen von 95 und 135 °C (etwa 3 bar) bis zu 6 Monate ausgelagert wurden. Nach Entnahme der Betonprüfkörper wurden sie in Wasser bei Raumtemperatur konditioniert und mechanisch im Druckversuch geprüft sowie Gefügeanalysen vorgenommen. Die Untersuchungen zeigten für Spritz- und Schlitzwandbetone eine signifikante Abnahme der Druckfestigkeit von bis zu 70 % nach Lagerung in Heißwasser (95 und 135 °C). Lediglich für den Weiße-Wanne-Beton, der sich zusätzlich durch eine höhere Dichtigkeit für Wasser auszeichnet, war eine relative Verbesserung der Druckfestigkeit bei erhöhten Temperaturen feststellbar (siehe Grafik).
Festigkeitsverlauf von Spritzbeton, Schlitzwandbeton und Weiße-Wanne-Beton. Quelle: Smart Minerals
Durch Gefügeanalysen mittels Polarisationsmikroskopie im Dünnschliff gelang der optische Nachweis, dass die Abnahme der Druckfestigkeit möglicherweise auf eine Erhöhung der Porosität des Zementsteins zurückzuführen ist. Zusätzlich waren sekundäre Sulfatablagerungen in vorhandenen Luftporen im Beton feststellbar. Weiterführende Untersuchungen mittels Mikroröntgenfluoreszenzanalyse ergaben eine Verarmung von Schwefel im Zementstein in Kombination mit lokalen Ausfällungen und mit steigender Lagerung.
Damit wurde in gigaTES erstmals klar gezeigt, dass es bei Spritz- und Schlitzwandbeton in Kontakt mit Heißwasser zum hydrothermalen Abbau einer sulfathältigen Zementphase einhergehend mit einer Erhöhung der Porosität kommt. Im Gegensatz dazu zeigte der schwefel-arme Weiße-Wanne-Beton im untersuchten Zeitraum eine kontinuierliche Zunahme der Druckfestigkeit. Klar herausgearbeitet wurde, dass Weiße-Wanne-Beton das höchste Potential für Betonspeicher in direktem Kontakt mit Warmwasser hat.
Weiterführende Informationen
https://gigates.at/index.php/de/
[1] Jensen, M.V. (2014). Seasonal pit heat storages – Guidelines for materials & construction, Fact sheet, IEA SHC Task 45.
[2] Grabmann, M.K., Wallner, G.M., Grabmayer, K., Nitsche, D., Lang, R.W. (2018). Aging behaviour and lifetime assessment of polyolefin liner materials for seasonal heat storage using micro-specimen, Solar Energy, 170, 988-990.
[3] Wallner, G.M., Traxler, I., Grabmann, M., van Helden, W. (2019). Neuartige Kunststoffliner für großvolumige Warmwasserspeicher, nachhaltige technologien, 4, 15-17.
[4] Wallner, G.M., Nitsche, D., Albers, K.H. (2020). Kunststoffe im Tiefbau – Langzeitbeständige Liner für Giga-Wasserwärmespeicher, Österreichische Ingenieur- und Architekten-Zeitschrift, OIAZ 165, 4.
Statement
"Durch das gigaTES Projekt und die damit verbundene Zusammenarbeit mit der Johann Kepler Universität Linz konnten wir eine ausgezeichnete systematische Grundlagenforschung zu Fragen der Lebensdauer bezüglich neuartiger Polyolefindichtungsbahnen durchführen."
David Nitsche, Werksleiter Folienextrusion, AGRU (Foto: AGRU)
AutorInnen
Dipl.-Ing. Gerald Maier ist Forschungsmitarbeiter bei Smart Minerals GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
ao.Univ-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Gernot M. Wallner ist stellvertretender Leiter des Instituts für Polymeric Materials and Testing der JKU Linz. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Mag.a Dr.in Helga Zeitlhofer ist Forschungsmitarbeiterin bei Smart Minerals GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dipl.-Ing. Dr. Martin Peyerl leitet den Fachbereich Forschung bei Smart Minerals GmbH. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Dr. Wim van Helden leitet den Bereich „Technologieentwicklung“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!