nt 02 | 2021 Großwärmespeicher
Einzigartige Bauweise für unterirdische Wasserwärmespeicher aus Holland
Ecovat ist ein niederländisches Unternehmen, das sich mit der Entwicklung und der Errichtung eines unterirdischen Wärmespeichers beschäftigt. In den Jahren 2016 bis 2017 wurde nach der Konzeptentwicklung der erste Wärmespeicher gebaut und danach wurden mehrere neue Designs entwickelt. Seit 2019 entwickelt Ecovat auch gesamtheitliche Wärmeversorgungslösungen in Verbindung mit Wärmenetzen, unterschiedlichen Wärmequellen und Wärmespeichern, die der Zielsetzung einer nachhaltigen urbanen Entwicklung folgen.
Ein hoher Grundwasserspiegel ist eine Herausforderung für den Bau eines jeden Wärmespeichersystems. Ein Becken- oder Tankspeicher wird in der Regel auf trockenem Boden oberhalb des Grundwasserspiegels gebaut. In den Niederlanden ist dies an den meisten Standorten keine Lösung, da der Grundwasserspiegel in der Regel etwa 2 Meter unter dem Boden liegt. Für diese Standorte hat Ecovat eine neue Konstruktionsmethode entwickelt.
Erste Demonstration in 2016/2017
Vor fünf Jahren wurde diese Bauweise erstmals mit dem Bau eines Pilotprojektes in den Niederlanden umgesetzt. Der 1.500 m³ große Speicher wurde in ein Heizsystem für ein Bürogebäude, basierend auf zwei Wärmepumpensystemen und direktem Elektrokessel integriert. Der Speicher wurde so groß gewählt, um einerseits das Prinzip der Vorfertigung und andererseits die Speichereffizienz ausreichend zu testen. Die geometrischen Eckdaten des Großwärmespeichers sind ein Durchmesser von 11 und eine Tiefe von 15 Metern. Eine der zentralen Herausforderungen beim "Bauen im Grundwasser" ist es, eine geeignete Dämmung einzusetzen, die dauerhaft ihre isolierende Wirkung behält. Daher besteht die Bauweise aus einem Außenbehälter aus Beton und einem vorgefertigten Innenbehälter. Der äußere Zylinder basiert auf dem Prinzip einer Schlitzwand und der innere Behälter besteht aus vorgefertigten Betonelementen, an denen die Dämmung befestigt ist. Die vorgefertigten Elemente werden von der Firma Ecovat produziert.
Nach der Fertigstellung des ersten Pilotprojektes im Jahr 2017 wurde die Funktionalität und die thermische Effizienz gemessen und mit Prognosewerten verglichen. Eine wichtige Erkenntnis aus dem Bauprozess war, dass die Arbeitsschritte unter Wasser, insbesondere die Verbindung der einzelnen vorgefertigten Bauteile, sich schwieriger verhielt als erwartet. Aus diesem Grund wurde entschieden, bei den folgenden Bauvorhaben die einzelnen Fertigteile vor dem Absenken zu einem gesamten Ring zu verbinden. Weiters konnte im Monitoring eine Durchfeuchtung in der Abdeckung identifiziert werden, was zu erhöhten Wärmeverlusten im Vergleich zur Prognose führte, aber konstruktiv rasch gelöst werden konnte.
Einbau eines Betonfertigteils mit Schaumglasdämmung während des Baus im Jahr 2016. Foto: Ecovat
Weiterentwicklung der Bauweise in den Jahren 2017 bis 2020
Nach der erfolgreichen Demonstration des Pilotspeichers wurde die Bauweise gezielt weiterentwickelt, um auch größere Anlagen, nämlich von 20.000 bis 100.000 m³, zu ermöglichen. Der Vorteil dieser größeren Systeme ist, dass die spezifischen Kosten sinken und die Gesamteffizienz steigt, wobei die Gesamteffizienz als Verhältnis zwischen Entzugswärme (Entladung bis 10 °C) und Beladewärme (Beladung bis 90 °C) definiert ist. Gegenwärtig wird der Bau eines 20.000 m³ Behälterspeichers und einer Kapazität von rund 1.400 MWh im holländischen Arnheim vorbereitet. Dieser bildet die hydraulische Zentrale für die Versorgung eines Quartiers mit 500 Wohnungen und einem Wärmebedarf von rund 3.050 MWh in Verbindung mit einerseits 4.000 m² Solarkollektoren und andererseits einer Kompressionswärmepumpe (500 kWth).
Um Speicher in dieser Größe bauen zu können, wurde eine neue Hebevorrichtung entwickelt, welche die Elemente positionieren kann. Mit dieser Vorrichtung können die Elemente sehr präzise in Behältern mit einem Durchmesser von 30 bis 48 Metern versenkt werden. Durch die Platzierung der Hebevorrichtung am Rand der Schlitzwand ist keine eigene Konstruktion neben dem Speicher zur Krananordnung mehr nötig. Das Artikelbild zeigt die Herstellung der Elemente für einen Speicher mit einem Durchmesser von 30 Metern und einer Tiefe von 30 Metern. In diesem Speicher werden 240 Fertigteile platziert, und zwar in acht Ringen übereinander und mit jeweils 30 in einem Ring.
Das Fertigteil wird nach dem Aushärten aus der Schalung gehoben. Foto: Ecovat
Die Fertigelemente bestehen aus einem Stahlbetonelement, an dem ein großes Stück Schaumglasdämmung mit den Maßen von circa 3,0 x 3,6 Metern und einer Dicke von circa 40 cm angebracht ist. Im Produktionsprozess wird die Isolierung in einer Stahlschalung platziert, wonach der Beton in die Schalung gepumpt wird. Der Beton haftet an den Hohlräumen des Schaumglases, wodurch sie zusammenkleben. Nach 12 Stunden Aushärtung werden die Elemente aus der Schalung genommen und im Freien gelagert. Um hohe Passgenauigkeit zu erreichen, werden die Elemente mit hoher Präzision gefertigt (Toleranz circa 1 mm). Dies gewährleistet eine kurze Bauzeit und eine gute thermische Hülle ohne Wärmebrücken. Das vorgefertigte Element hat ein fixes Format und ist leicht per LKW oder Lastkahn zu transportieren. Durch diese modulare Bauweise kann vergleichsweise einfach auch eine größere Tiefe oder ein größerer Durchmesser des Gefäßes umgesetzt werden.
Vorgefertigte Elemente, bereit für den Transport zur Baustelle. Foto: Ecovat
Bevor die Isolierung in die Schalung integriert werden kann, muss sie zunächst aus kleinen Isolierblöcken zusammengesetzt werden. Die Isolierblöcke werden im Kleinformat geliefert. Um dies bestmöglich zu bewerkstelligen, wurde ein Roboter entwickelt. Dieser Roboter misst zuerst die exakte Größe der einzelnen Dämmstoffblöcke und klebt danach mit Bitumen die einzelnen Elemente zu einem großen Stück Wärmedämmung von 3,0 x 3,6 Metern zusammen.
Ein Roboterarm klebt kleine Schaumglasblöcke zu einem großen Stück Wärmedämmung. Foto: Ecovat
Die weitere Entwicklung der vorgefertigten Elemente, der Hebevorrichtung und des Roboters hat den Bauprozess weitgehend automatisiert und damit auch die Qualität deutlich verbessert. Dies ermöglicht es Ecovat, langfristige Garantien in der Form von sogenannten "Design-Build-Maintain and Operate" Verträgen geben zu können.
Zukünftige Entwicklungen
Ecovat arbeitet an der Entwicklung einer Reihe von konkreten Projekten in den Niederlanden und im Ausland, zum einen an reinen Wärmespeicherprojekten und zum anderen an Fernwärmeprojekten. Die Fernwärmeprojekte enthalten in der Regel Wärmespeicher mit Volumina zwischen 4.000 und 60.000 m³, die unterschiedliche Funktionalitäten besitzen, sprich von Anwendungen als Saisonalspeicher bis hin zur klassischen Kurzzeitspeicherung im Tag/Nacht Zyklus. Die Bauweise der Wärmespeicher kann zwischen unterirdischen als auch oberirdischen Konstruktionen variieren. Die Wärmequellen in diesen Projekten sind Abwärme, Geothermie, Solarthermie oder die Nutzung von Oberflächengewässern in Kombination mit Wärmepumpen.
Parallel zur permanenten Weiterentwicklung der Speicherbauweise in Bezug auf Bauablauf, Effizienz und Kosten, arbeitet Ecovat an einer speziellen Software für die Auslegung und die Optimierung von netzgebundenen Wärmeversorgungssystemen, die beispielsweise auch die Kopplung mit den Strommärkten beinhaltet.
Eckdaten zu geplanten Projekten mit dem Ecovat-Wärmespeicherkonzept
AutorInnen
Ruud van den Bosch ist Technical Sales Manager bei Ecovat. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Weitere Informationen
Videos zur Bauweise: www.ecovat.eu/bouw-ecovat-beeld