K\u00fchlanlagen in Wohnungen und B\u00fcros machen die Sommerhitze ertr\u00e4glich. In Gewerbebetrieben halten sie zudem Produktionsanlagen auf Betriebstemperatur und sch\u00fctzen vor \u00dcberhitzung. <\/p>\n\n\n\n
In Deutschland verbrauchen K\u00fchlanlagen fast 15 Prozent des Stroms. Auf der anderen Seite w\u00e4re im Winter und nachts genug nachhaltige K\u00e4lte kostenfrei vorhanden. Den passenden Speicher, um die K\u00e4lte im Untergrund zu speichern und auch an Sommertagen zu nutzen, entwickelt nun das Fraunhofer IEG gemeinsam mit Praxispartner Voltavision im Projekt MissEllyDEMO. Das BMKW f\u00f6rdert es mit rund 2,8 Millionen Euro.<\/p>\n\n\n\n
\u00bbWir konzipieren einen Erdsonden-K\u00e4ltespeicher und betreiben ihn so dynamisch, dass er W\u00e4rmeenergie in einem weiten Leistungsbereich und in bedarfsgerechten Geschwindigkeiten aufnehmen kann\u00ab, erkl\u00e4rt Projektleiter Roman Ignacy vom Fraunhofer IEG. \u00bbDie smarte Steuerung und das flexible Anlagendesign sind wohl weltweit einmalig.\u00ab<\/p>\n\n\n\n
Der Industriepartner im Projekt ist Voltavision und betreibt besonders energieeffiziente Pr\u00fcflabore, entwickelt Pr\u00fcfstands-Equipment und testet Batteriezellen und -Module sowie Hochvoltbatterien etwa f\u00fcr die Automobilindustrie an seinem Standort in Bochum. \u00bbAls Akteur beim Wandel zu klimafreundlicher Elektromobilit\u00e4t streben wir stets danach auch selbst schnellstm\u00f6glich klimaneutral zu arbeiten und Kohlendioxid-Emissionen auf allen Ebenen zu reduzieren. Neben der Nutzung von Photovoltaikenergie sowie den Betrieb des ersten Batterie-Pr\u00fcflabors mit klimaneutraler K\u00e4ltetechnik auf Basis nat\u00fcrlicher K\u00e4ltemittel, nutzen wir l\u00e4ngst Abw\u00e4rme zur Heizung der Geb\u00e4ude. Mit der geplanten Geothermie-Anlage und dem Innovationssprung der in ihr liegt, gelingt uns ein weiterer, sehr gro\u00dfer Schritt zu nachhaltigen Energiesystemen\u00ab, erkl\u00e4rt Lore Mall, verantwortliche Projektleitung bei Voltavision, und f\u00fchrt weiter aus: \u00bbWenn die Au\u00dfentemperatur niedrig ist, wird schon jetzt das K\u00fchlwasser der Anlagen \u00fcber die Umgebungsk\u00e4lte in der Luft gek\u00fchlt. Diese Freik\u00fchlung ist an sehr warmen Tagen nicht m\u00f6glich, so dass stromintensive Kompressionsk\u00e4lte zum Einsatz kommen muss. Um den Freik\u00fchlanteil auf bis zu 100 Prozent zu erh\u00f6hen, wohlwissend dass die Sommer hei\u00dfer werden, entstand die Idee vor Ort im Boden gespeicherte K\u00e4lte aus dem Winter im Sommer zu nutzen. Nach der vielversprechenden Machbarkeitsstudie freuen wir uns sehr, das Projekt nun gemeinsam mit dem Fraunhofer IEG an unserem Standort im Bochumer Technologie-Quartier umzusetzen.\u00ab<\/p>\n\n\n\n
Im Pr\u00fcfbetrieb k\u00f6nnen kurzzeitig auch hohe W\u00e4rmelasten an den Pr\u00fcfanlagen auftreten. Diese Prozessw\u00e4rme bei rund 20 \u00b0C zu k\u00fchlen, ben\u00f6tigt einen gro\u00dfen Teil der Energieaufwendungen des Unternehmens. Die Prozessw\u00e4rme geht \u00fcber einen K\u00fchlwasserkreis, K\u00e4ltemaschinen und R\u00fcckk\u00fchler auf dem Dach an die umgebende Luft. Dies hat im allgemeinen Nachteile: Die Anlage selbst ist mit hohen Investitionskosten bei der Anschaffung sowie der laufende Betrieb mit einem hohen Stromverbrauch durch die Kompressionsk\u00fchlung verbunden. <\/p>\n\n\n\n
Nach der Analyse der K\u00fchlbedarfe von Voltavision war klar, dass die entscheidende Stellschraube nicht der aufsummierte Jahresk\u00fchlbedarf ist. Kostentreiber beim K\u00fchlen sind die Spitzenlastzeiten im Sommer, in denen die Au\u00dfenlufttemperatur \u00fcber der R\u00fccklauftemperatur des K\u00fchlmittels liegt, da dann die Kompressionsk\u00e4ltemaschinen laufen m\u00fcssen. F\u00fcr diese Zeit braucht es ein flexibles K\u00e4ltereservoire im Untergrund, welches K\u00e4lteerzeugung und -verbrauch r\u00e4umlich und zeitlich entkoppelt. So lassen sich K\u00fchlanlagen stets beim idealen Wirkungsgrad betreiben, kleiner dimensionieren und ggf. auch negative Strompreise nutzen.<\/p>\n\n\n\n
Das Projekt MissEllyDEMO wird erstmals ein Feld an Erdw\u00e4rmesonden als Speicher f\u00fcr eine Industrieanwendung mit permanentem Prozessk\u00e4ltebedarf nutzen. Die 30 bis 40 Sonden werden im Abstand von 5 bis 10 Metern bis zu 100 Meter tief verlegt. Eine Sole l\u00e4uft als Betriebsmittel in den geschlossenen Rohrschleifen und gibt die abzuf\u00fchrende Prozessw\u00e4rme an den Untergrund ab. Die smarte und pr\u00e4diktive Betriebssteuerung wird dabei regeln, wie die Sonden tagesaktuell verschaltet werden, etwa parallel, seriell oder in bestimmten Zonen, um die optimale W\u00e4rme\u00fcbertragung beim vorausschauenden Auf- und Entladen zu gew\u00e4hrleisten. Roman Ignacy: \u00bbUnser Verschaltungsprinzip sieht eine flexible Anordnung und eine gezielte Temperierung der Sonden vor, um die nutzbare Temperaturdifferenz zwischen Vor- und R\u00fccklauf des Systems und damit die K\u00e4lteleistung zu maximieren.\u00ab<\/p>\n\n\n\n
Um das K\u00e4ltereservoir zu regenerieren, wird die kostenfreie und sonst ungenutzte K\u00fchlleistung der R\u00fcckk\u00fchler verwendet. Diese laufen daher nicht nur zu Spitzenlastzeiten an wenigen Stunden am Tag, sondern kontinuierlich, wann immer die Au\u00dfenlufttemperaturen tief genug fallen. Zudem l\u00e4sst sich das vom Fraunhofer IEG konzipierte Sondenfeld mit K\u00e4lte aus der Nacht und dem Winter auch \u00bbaufladen\u00ab, indem die Temperaturen im Untergrund, die in der Regel zwischen 11 \u00b0C und 13 \u00b0C liegen, auf Temperaturen bis knapp \u00fcber dem Gefrierpunkt sinken. So steht den Pr\u00fcfanlagen von Voltavision stets gen\u00fcgend nachhaltige K\u00e4lte zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n\n\n\n
Eine Machbarkeitsanalyse des Fraunhofer IEG im Vorprojekt hat bereits gezeigt, dass ein Erdsondenfeld im dynamischen Betrieb als saisonaler Speicher die notwendige Flexibilit\u00e4t bereitstellt, um die vom K\u00e4ltenetz ben\u00f6tigte kurzfristige Spitzenleistung und die geforderten Temperaturniveaus abzudecken. In den n\u00e4chsten vier Jahren wird nun im Projekt MissEllyDEMO ein Demonstrator gebaut, in den sicheren Betrieb \u00fcberf\u00fchrt und weiter optimiert. Dieser Prototyp soll zeigen, wie die Dynamik von kostenfreier, regenerativer, aber volatiler Umweltk\u00e4lte sinnvoll in einen realen \u00f6konomischen Prozess integriert wird. \u00bbMit unserem Erdsondenspeicher schaffen wir ein K\u00e4lteversorgungssystem f\u00fcr die Industrie, welches die hohen Anforderungen an Versorgungssicherheit und Flexibilit\u00e4t durch den Einsatz eines saisonalen K\u00e4ltespeichers, die Einbringung von Umweltk\u00e4lte und die Betriebsoptimierung von K\u00e4lteanlagen im Gesamtsystem erf\u00fcllt\u00ab, erg\u00e4nzt Anja Han\u00dfke, Leiterin des Competence Center W\u00e4rmenetze 4.0 am Fraunhofer IEG, welches das Projekt durchf\u00fchrt. \u00bbDurch die innovative Verschaltung der Erdsonden entsteht ein dynamisch auf thermische Lasten regelbares System mit einer maximale Leistungs- sowie Energiespeicherungsf\u00e4higkeit. Hierin liegt ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal und gleichzeitig die Innovation des Speicherkonzepts.\u00ab<\/p>\n\n\n\n
Aus den Betriebserfahrungen ergeben sich dann auch die Entwicklungspfade f\u00fcr die Erweiterung auf andere Prozesse und weitere Anwender. Dazu erstellt das Fraunhofer IEG auch einen Digitalen Zwilling der Anlage, der an den Realdaten validiert wird und dann als Planungstool zur Betriebs- sowie grundlegenden Auslegungsoptimierung zur Verf\u00fcgung steht. Die Grundlage daf\u00fcr bildet neben der theoretischen Vorbetrachtung ein wissenschaftliches Monitoring, welches alle notwendigen Betriebsdaten erfasst und verf\u00fcgbar macht. Fraunhofer IEG bringt seine langj\u00e4hrige Erfahrung mit oberfl\u00e4chennaher Erdw\u00e4rme im allgemeinen und Erdw\u00e4rmesondenspeichern im speziellen in das Projekt ein und entwickelt ma\u00dfgeschneiderte Betriebs- und Regelungsstrategien f\u00fcr K\u00e4lteversorgungssysteme mit vielen Senken und Quellen. So lassen sich Systeme entwickeln, die gegen\u00fcber konventionellen K\u00e4ltesystemen signifikant geringere elektrische Energiemengen zum Betrieb ben\u00f6tigen, da sie Lastspitzen vermeiden und minimal Energie verbrauchen, bedingt durch einen stets optimalen pr\u00e4diktiven Anlagenbetrieb, mit der Nutzung von Wetter- und Lastprognosedaten.<\/p>\n\n\n\n
Da optimale Systemeffizienzen in hohem Ma\u00dfe von den Druckverlusten im Erdsondenfeld abh\u00e4ngig sind, stellen Untersuchungen zu dessen Hydraulik w\u00e4hrend der unterschiedlichen Betriebsmodi bei der parallelen und seriellen Durchstr\u00f6mung sowie der Umkehrung der Durchstr\u00f6mungsrichtung und deren geeignete Simulation einen weiteren Fokus dar. Dazu wird ein frei konfigurierbares Erdsondenfeld-Druckverlust-Tool entwickelt und im Digitalen Zwilling implementiert. Mit der Entwicklung eines Digitalen Zwillings macht es Fraunhofer IEG m\u00f6glich, alle relevanten Prozessph\u00e4nomene in den auftretenden Betriebsszenarien skalierbar abzubilden und den Betrieb strukturiert zu optimieren. Dazu dienen auch theoretische Vorbetrachtung und das wissenschaftliche Monitoring, welches alle notwendigen Betriebsdaten erfasst. Es bildet die Grundlage f\u00fcr die energetische und wirtschaftliche Optimierung und sichert die \u00dcbertragbarkeit des Versorgungskonzepts auf andere Industrien und Anwendungsbereiche. Das Projekt MissEllyDEMO zeigt damit f\u00fcr viele Anwender auf, wie sie K\u00e4lteerzeugung und -bereitstellung f\u00fcr Prozessk\u00e4lte sowie Geb\u00e4udeklimatisierung und -beheizung nachhaltig umsetzen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n
Der zu versorgende Geb\u00e4udekomplex des Industriepartners Voltavision weist im Jahresverlauf einen K\u00e4lteleistungsbedarf von bis zu etwa 420\u00a0kW auf. Die angestrebte Leistung des saisonalen Erdsondenfeldes liegt im Mittel bei etwa 150\u00a0kW und in der Spitzenleistung bei bis zu 550\u00a0kW. Die Nennleistung des R\u00fcckk\u00fchlers im Energieversorgungssystem liegt bei etwa 310\u00a0kW bei 10\u00a0\u00b0C Au\u00dfentemperatur und bei etwa 600\u00a0kW bei tiefsten Au\u00dfentemperaturen. Die Leistung der K\u00e4ltemaschine liegt bei etwa 270\u00a0kW. Der zu versorgende Geb\u00e4udekomplex weist im Jahresverlauf einen K\u00e4lte-Energiebedarf von 2,6\u00a0GWh auf. Die Speicherkapazit\u00e4t des Erdsondenfeldes liegt bei etwa 386 MWh und damit bei etwa 15\u00a0% des Gesamt-Energiebedarfs. Die energetische Simulation der Vorstudie zeigt, dass die Reduktionspotenziale des Energiebedarfs in Abh\u00e4ngigkeit von den K\u00e4ltespeichergr\u00f6\u00dfen bei etwa 70% bis 90% im Vergleich zu konventionellen K\u00e4ltesystemen liegen.<\/p>\n\n\n\n