Role and Integration of Seasonal Thermal Energy Storage for the Energy Transition

Bearbeiterin: Alice Tosatto

Betreuer: Fabian Ochs

Kurzfassung

Die Dekarbonisierung des Energiesystems erfordert die Integration erneuerbarer Energiequellen, die aufgrund ihrer geringen Energiedichte und ihrer schwankenden Verfügbarkeit eine Herausforderung darstellen. Diese Herausforderungen sind besonders im Gebäudesektor von Bedeutung, wo die Energienachfrage einem starken saisonalen Muster folgt. Aus diesem Grund werden saisonale thermische Energiespeichersysteme (Thermal Energy Storage, TES) zu einer Schlüssellösung für die Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien in Fernwärmenetzen. Ihre hohen Kosten, die komplexe Integration in Energiesysteme und die Wechselwirkungen mit der Umwelt erfordern jedoch eine sorgfältige Planung und Auslegung.

In dieser Dissertation wird die Modellierung von TES-Systemen untersucht, um ihre Leistung zu maximieren und die Energiewende auf drei Ebenen zu unterstützen: System, Komponente und Gebäudehülle. Auf der Systemebene werden die Kapazität und Effizienz von TES in Bezug auf die Energienachfrage und das Energieangebot bewertet und ihre Rolle bei der Erreichung der Energieautarkie von Stadtteilen untersucht. Auf der Komponentenebene werden bei der numerischen Modellierung der TES-Speicher Umwelt- und Systemrandbedingungen berücksichtigt und Faktoren wie Geometrie und Isolationsqualität analysiert. Ein Wärmepumpenmodell wird ebenfalls integriert, um die Auswirkungen der Tiefentladung auf den TES-Betrieb zu untersuchen. Auf der Ebene der Gebäudehülle schließlich konzentrieren sich die experimentellen Studien auf die thermischen Eigenschaften der Isoliermaterialien und bewerten deren Einfluss auf die Wärmeübertragung und den Energieverlust.

Wichtige Leistungsindikatoren, die auf Energie-, Exergie- und Umweltfaktoren basieren, zeigen eine unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber der Wahl des Designs. Die Untersuchung zeigt, dass die Qualität der Dämmung und die Betriebstemperaturen sowohl die Systemleistung als auch die Umgebungstemperaturen, einschließlich Boden- und Grundwassertemperaturen, beeinflussen. Die Studie hebt auch hervor, wie die natürliche Konvektion in porösen Dämmschichten die Wärmeverluste erhöhen kann, was die Notwendigkeit einer verbesserten Materialauswahl und Installationstechnik unterstreicht.