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Optimierung eines Seewasserwerkes mittels thermischer Energiespeicherung

Sandro Weber

Titel

Optimierung eines Seewasserwerkes mittels thermischer Energiespeicherung

Autor/in

Datierung

11.06.2021

Beschreibung

In der vorliegenden Arbeit geht es um die Optimierung eines Seewasserwerkes mittels thermischer Energiespeicherung. In der Schweiz stammen 20% des Trinkwassers aus Seewasserwerken, in denen es zur Trinkwasserqualität aufbereitet wird. Das Seewasserwerk in Ipsach hat nach 50 Jahren Betriebszeit ausgedient und weicht nun einem Neubau. Ein wichtiges Ziel des neuen Seewasserwerkes ist die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung im Trinkwasseraufbereitungsprozess und dem Betrieb der Anlage durch die Nutzung erneuerbarer Energien. Dazu sollen zwei Kaltwasserbecken des alten Seewasserwerkes durch den Einsatz des gedämmten Abdichtungssystems (GEAS) zu einem saisonalen thermischen Energiespeicher mit 120 m3 Speichervolumen umgenutzt werden.
In dieser Arbeit werden der Wärmebedarf und die mögliche Wärmerückgewinnung des neuen Seewasserwerkes zusammengefasst. Aus diesen Angaben lassen sich zwei Szenarien definieren. Das erste Szenario berücksichtigt als Wärmequelle Solarthermie. Das zweite Szenario nutzt eine Wärmepumpe, welche an die geplante PV-Anlage gekoppelt ist, als Wärmequelle.
Für die beiden Szenarien werden Jahressimulationen mit dem integrierten saisonalen thermischen Energiespeicher durchgeführt. Dazu wird ein Simulationstool vom Kompetenzzentrum für thermische Energiespeicher der Hochschule Luzern verwendet.
Aus den Simulationen geht hervor, dass die Vorteile des zweiten Szenarios überwiegen, da die Energie aus der PV-Anlage neben dem Wärmebedarf auch für Pumpen eingesetzt werden kann. Um den Wärmebedarf decken zu können, werden 0.3% des gesamten PV-Ertrages für die Bereitstellung von Wärme benötigt. Weiter lässt sich dabei eine Einsatzoptimierung der Wärmepumpe durchführen, wodurch die Abwärme von Notstromgeneratoren besser ausgeschöpft werden kann. Eine 100% thermische Autarkie lässt sich nur mit einer Speichertemperatur von 95 °C erreichen. Der Einsatz des saisonalen thermischen Energiespeichers ist für die Erreichung des angestrebten Autarkiegrades zentral.
Die vorliegende Arbeit zeigt weiter die Grenzen des Simulationstools auf. Durch dessen Optimierung lassen sich die Simulationsergebnisse weiter verbessern. Dadurch kann das Simulationstool einen wichtigen Beitrag bei der Auslegung des GEAS-Speichersystems leisten.

This paper deals with the optimisation of a lake water plant by using thermal energy storage. In Switzerland, 20% of drinking water comes from lake water plants, where it is treated to drinking water quality. The lake water plant in Ipsach has reached the end of its service life after 50 years of operation and is now giving way to a new building. An important goal of the new lake water plant is to decarbonise the heat supply in the drinking water treatment process and the operation of the plant by using renewable energies. For this purpose, two cold water basins of the old lake water plant are to be converted into a seasonal thermal energy storage with a storage volume of 120 m3 by using the insulated sealing system (GEAS).
In this paper are the heat demand and the possible heat recovery of the new lake water plant summarised. Two scenarios can be defined from this information. The first scenario takes solar thermal energy into account as a heat source. The second scenario uses a heat pump, which is coupled to the planned PV system, as the heat source.
For both scenarios are annual simulations carried out with the integrated seasonal thermal energy storage. A simulation tool from the Competence Centre for Thermal Energy Storage at the Lucerne University of Applied Sciences and Arts is used for this purpose.
The simulations show that the advantages of the second scenario are greater due to energy from the PV system which also can be used for pumps in addition to the heat demand. In order to cover the heat demand, 0.3% of the total PV output is required for the provision of the heat. Furthermore, the usage of the heat pump can be optimised, so that the waste heat from emergency generators can be better utilised. 100% thermal self-sufficiency can only be achieved with a storage temperature of 95 °C. The useage of seasonal thermal energy storage is central to achieve the targeted degree of self-sufficiency.
This paper also shows the limitations of the simulation tool. By optimising it, the simulation results can be further improved. As a result, the simulation tool can make an important contribution to the design of the GEAS storage system.

Urheberrechtshinweis