Effiziente Energiespeicherung durch Aquiferspeicher

Die Drake Landing Solar Community (DLSC) ist ein Muster-Planungsviertel in der kanadischen Stadt Okotoks (Alberta), in das erfolgreich energieeffiziente Technologien mit einer erneuerbaren, unbegrenzten Energiequelle – der Sonne – integriert wurde.

Die Drake Landing Solar Community (DLSC) befindet sich in Okotoks, 15 Minuten südlich von Calgary (Kanada). Das Besondere an DLSC ist, dass mehr als 90 % des Raumwärmebedarfs für die 52 Einfamilienhäuser der Gemeinde durch Solarthermie gedeckt werden. Dies ist eine Leistung, die ihresgleichen sucht. Die Gemeinde gilt auch als Modell für ein erstes grosses Implementierungsprojekt einer Technologie in Nordamerika, das als saisonale solarthermische Energiespeicherung bekannt ist. Die solarthermische Energie wird im Sommer «gesammelt», unterirdisch gespeichert und im Winter als in Form von Wärme in die Häuser zurückgeführt.

Die Voraussetzungen

  • 52-Häuser mit Raum- und Warmwasseraufbereitung durch Solarenergie
  • Solarenergie, die das ganze Jahr über von einer 800-Panel-Garagendach-Anlage gefördert wird.
  • Die Kombination von saisonalen und kurzfristigen thermischen Speichern (STTS) ermöglicht die Sammlung und Speicherung von Sonnenenergie im Sommer, zur Nutzung als Raumheizung im Winter.
  • «Borehole Thermal Energy Storage» (BTES) ist ein unterirdischer Kühlkörper zur saisonalen Energiespeicherung.
  • Kurzzeit-Wärmespeicher (STTS) sind zentrale Stellen für die Wärmebewegung zwischen Kollektoren, Kreisläufen (DL)/Häusern und (BTES).
  • DL transportiert Wärme von den STTS zu den Häusern.

Ort:        Okotoks, Alberta. 51,1 Grad N, 114 Grad W, 1084 m Höhe
Wetter: Winter -33 C; Sommer 28,3 C DB/15,6 C WB


Das Projekt wurde von Natural Resources Canada (NRCan), einem Bundesamt der Regierung Kanadas, konzipiert. Um es zum Erfolg zu führen, hat NRCan Partnerschaften mit innovativen, umweltbewussten Unternehmen aufgebaut, die über einen langjährigen, glaubwürdigen Ruf in ihrer Branche verfügen.

Das DLSC-Projekt besteht aus fünf Hauptkomponenten:

  1. der Solaranlage,
  2. dem Energiezentrum mit kurzfristiger Energiespeicherung,
  3. dem saisonalen Bohrloch-Wärmespeicher (BTES),
  4. dem Fernwärmesystem und
  5. den nach dem R-2000-Standard zertifizierten energieeffizienten Häusern.

Erfassung der Solarthermie

  • Sonnenenergie, die auf dem Dach der Garagen gespeichert wird.
  • Sonnenenergie, die von Kollektoren auf Garagendächern aufgenommen wird.

800 Solarmodule auf Garagendächern in der ganzen Gemeinde erzeugen an einem typischen Sommertag 1,5 Megawatt Wärmeleistung und liefern Wärme an das Fernwärmenetz.

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Von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang absorbieren die Solarmodule die Energie und erwärmen eine Glykollösung, die durch ein isoliertes Rohrleitungssystem oder einen Kollektorring läuft, welcher die Kollektoranordnung verbindet. Das erwärmte Glykol wandert entlang des Dachüberhangs zum Ende der Garagen und unterirdisch durch ein flaches Grabensystem, bis es zu einem Wärmetauscher innerhalb der Energiezentrale der Gemeinde gelangt. Der Wärmetauscher überträgt die Wärme auf das in einem Kurzzeitspeicher gespeicherte Wasser. Die Glykollösung setzt ihren Kreislauf zurück zum Solarkollektorsystem fort.

Speicherung der Solarthermie

In den Sommermonaten wird das erwärmte Wasser aus dem Kurzzeitspeicher über eine Reihe von Leitungen an das BTES-System (Borehole Thermal Energy Storage) verteilt. Die Rohre durchlaufen 144 Löcher, die sich 37 Meter unter der Erde erstrecken und eine Fläche von 35 Metern Durchmesser bedecken. Während das erwärmte Wasser durch das Rohrnetz fliesst, wird die Wärme an die umgebende Erde abgegeben. Die Temperatur der Erde erreicht bis zum Ende jedes Sommers 80 Grad Celsius. Um die Wärme zu speichern, ist das BTES mit Sand, einer hochdichten R-40-Isolierung, einer wasserdichten Membran, Ton und anderen Landschaftsbaumaterialien bedeckt. Das Wasser schliesst seinen Kreislauf durch das Bohrlochsystem und kehrt zu den Kurzzeitspeichern in der Energiezentrale zurück, um erneut erwärmt zu werden. Der gleiche Vorgang wiederholt sich.

Verteilung der Solarthermie

Sobald Raumwärme benötigt wird, fliesst das erwärmte Wasser im BTES in den Kurzzeitspeicher der Energiezentrale und wird dann über den Fernwärmekreislauf in die Häuser geleitet. Das Wasser gelangt durch einen Wärmetauscher über ein speziell entwickeltes Niedertemperatur-Klimagerät im Untergeschoss zu jedem Haus. Ein Ventilator, der ebenfalls zur Einheit gehört, bläst Luft über den warmen Gebläsekonvektor. Die Wärme wird vom Wasser an die Luft abgegeben und dann über die Kanäle im ganzen Haus verteilt. Sobald die gewünschte Temperatur eines Hauses erreicht wird, schaltet ein automatisches Ventil im Keller den Wärmeübergang zwischen dem Fernwärmespeicher und dem Klimagerät ab.

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Wärmeübertragung im gesamten System

Das System leitet die Wärmeübertragung nur dann ein, wenn die Temperatur innerhalb einer vorhergehenden Komponente höher steigt als die Temperatur innerhalb einer nachfolgenden Komponente. So wird beispielsweise bei Sonnenaufgang und Erwärmung der Solarkollektoren der Kollektorkreislauf eingeschaltet, wenn die Glykoltemperatur über die Wassertemperatur in den Kurzzeitspeichern (STTS) der Energiezentrale steigt. Die Energie wird dann von den Kollektoren auf die STTS übertragen. Ebenso wird die BTES-Pumpe eingeschaltet, nachdem die Wassertemperatur in den STTS über die BTES-Temperatur gestiegen ist, um Wärme von den STTS an die BTES zu übertragen.

Die Kollektoren erwärmen die STTS etwa doppelt so schnell, wie die BTES die Wärme aus den STTS entfernen können. Dadurch schaltet sich die Kollektorpumpe bei Sonnenuntergang ab, während die BTES-Pumpe die meiste Zeit der Nacht läuft. Wenn die Häuser im Winter beheizt werden müssen, wird die Wärme aus den Kollektoren von den STTS in den Fernwärmespeicher geleitet und nicht an die BTES übertragen.

Die Temperatur des Fernheizkreises variiert mit der Aussenlufttemperatur. Wenn es ausserhalb des Fernwärmekreislaufs kälter wird, wird die Temperatur erhöht. Diese Temperatur wird durch den Wärmetauscher zwischen dem STTS und dem Fernwärmespeicher geregelt. Wenn das STTS in Verbindung mit der von den Kollektoren gelieferten Wärme nicht heiss genug ist, um den Anforderungen des Fernwärmesystems gerecht zu werden, wird die Wärme des BTES zur Nutzung an das STTS übertragen. Wenn die STTS immer noch nicht in der Lage sind, den Wärmebedarf zu decken, schaltet sich der Gasvorwärmer der Energiezentrale ein, um die Temperatur zu erhöhen.

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Die Vorteile 

Die DLSC ist ein Energieschaufenster, das aufzeigt, wie eine umweltfreundliche Wohnanlage gestaltet werden kann. Die Gemeinschaft bezieht von der Sonne saubere, unbegrenzte Energie. Die Abhängigkeit von begrenzten fossilen Brennstoffen wird deutlich reduziert. Der unmittelbare Nutzen dieses Projekts besteht in der Verringerung von Treibhausgasemissionen, denn aus einem durchschnittlichen kanadischen Haushalt fallen jährlich etwa 6 bis 7 Tonnen Treibhausgas an. Schätzungen gehen davon aus, dass diese Treibhausgasemissionen durch dieses System um etwa 5 Tonnen reduziert werden. 

Der längerfristige Nutzen eines solchen Projekts hängt davon ab, wie oft und wie schnell es - oder Teile davon - in Kanada und anderen Ländern repliziert wird. Ein hartnäckiges Hindernis für die Akzeptanz der Solarthermie in kalten Klimazonen war bis anhin die spürbare Abwesenheit der Sonne in der Wintersaison. Kurze Tage, bewölkter Himmel und schneebedeckte Solarmodule sind grosse natürliche Herausforderungen. Die DLSC zeigt, wie sich diese traditionellen natürlichen Barrieren mit der effektiven Integration energieeffizienter Technologien mit saisonalen Wärmespeichern überwinden lassen.

Mit steigenden Energiepreisen wird die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme immer attraktiver, und mit zunehmender Replikation werden die Entwurfs- und Baukosten sinken und die Umweltvorteile vervielfacht. Das DLSC-Projekt schafft auch die Voraussetzungen für Grossprojekte, die kostengünstiger und energieeffizienter sind und zu einer deutlichen Dekarbonisierung ohne Belastung des Stromnetzes führen.

 


Projektstatus

Nach fast 12 Jahren kontinuierlicher Überwachung, Leistungsanalyse und -verbesserung konnte ein bedeutender Erfahrungsschatz über das solare BTES-System für kanadische Anwendungen gewonnen werden. NRCan prüft derzeit die Ausweitung des Forschungsschwerpunkts auf andere Bereiche angewandter kohlenstoffarmer gemeinschaftlicher Energiesysteme, wie z.B. Technologieintegration, komplementäre Technologien zur Erzeugung erneuerbarer Energien, Kostenreduzierung und neue grosse solare PV-thermische Technologien. Einige Fakten:

-  12. Jahr zuverlässiger Betrieb ohne ungeplante Unterbrechungen des Heizungslieferbetriebs;
-  100% Solaranteil in der Heizperiode 2015-2016, d.h. die gesamte von den Häusern zur Raumheizung benötigte Wärme wurde mit Solarenergie gedeckt;
-  Konstante solare Anteile von über 90 % in den letzten 5 Jahren, mit einem Durchschnitt von 96% für den Zeitraum 2012-2016;
-  Hoher Solaranteil von 92 % auch im sehr kalten Winter 2013-2014;
-  Sehr geringer Stromverbrauch, mit einem Leistungskoeffizienten (COP) von über 30. Das bedeutet, dass das System für jede kWh Strom mehr als 30 kWh Wärme liefert;
-  Im Laufe der Jahre wurde der Stromverbrauch für Pumpen durch Energieeffizienzmassnahmen reduziert und die Solarstromerzeugung vor Ort um 18 kW im Jahr 2011 erhöht. Der Betrieb ist nun netto Nullstrom für das Pumpen von Strom, einschliesslich des Pumpens durch die Solarkollektoren, des Fernwärmesystems und des Speichers für thermische Energie im Bohrloch (BTES);
-  Starke pädagogische Komponente mit häufigen Besuchen von Fachleuten und Studenten vor Ort. Die Technologie wird derzeit von mehreren Gemeinden in Kanada sowie international von China, den Vereinigten Staaten und mehreren europäischen Ländern geprüft.
 

 


DLSC-Highlights

-  Die grösste Unterteilung der R-2000 Einfamilienhäuser in Kanada, jeweils 30 % effizienter als konventionell gebaute Häuser. 
-  Weltweit einzigartig, da über 90 % des Heizbedarfs von Wohnräumen durch Solarthermie gedeckt werden.
-  Eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen (THG) um ca. 5 Tonnen pro Haus und Jahr. 
-  Ausgezeichnet mit dem World Energy Globe Award for Sustainability 2011.
 

 

Drake Landing Solar Community, Okotoks (Alberta, CDA) (Web)

Drake Landing Solar Community, Okotoks (Alberta, CDA) (Video)

Wann wird das Home wirklich smart? (Blog)

Studie: Kundenbarometer erneuerbare Energien (Blog)

«Olympic House», Symbol der Nachhaltigkeit (Blog)

Kluge Nachhaltigkeit, Perspektiven der «intelligenten» Energie (Artikel, bulletin.ch)

Energie sinnvoll nutzen (Web)

 

Veranstaltungshinweise

 

Foto:DLSC
Text+Grafiken, Quelle: dlsc.ca
Übersetzung: DeepL

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