Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geotechnologien IEG
Ganzjährige thermische Nutzung von Oberflächengewässern als Wärmequelle
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Forschung- und Demonstrationsprojekt »AQVA-HEAT III«
Die Kernaufgabe des geplanten Verbundprojektes AQVA-Heat III ist die gemeinsame Entwicklung und umfassende Langzeiterprobung eines innovativen Energiesystems zur ganzjährigen (monovalenten), leistungsfähigen Wärmeversorgung durch thermische Nutzung von Oberflächengewässern. Als physikalischer Ansatz zum effizienten Wärmeentzug dient die direkte Verdampfung von Wasser als Kältemittel unter subatmosphärischen Bedingungen (Sieden im Grobvakuum).
Die Dampfbildung wird durch einen vom ILK speziell entwickelten Turboverdichter induziert. Der verdichtete bzw. erwärmte Wasserdampf gibt im Anschluss Wärme durch direkte Kondensation an eine oder mehrere Wärmepumpen bzw. an ein nachgeschaltetes Wärmenetz ab.
Die innerhalb des skizzierten Projektes betrachtete Form der Wärmequellenerschließung weist ein hohes Potential in Bezug auf die Faktoren Planbarkeit, Versorgungssicherheit und Netzintegrität auf und kann ausgehend von kleinen Wärmequellenleistungen im Bereich von 100 kW bis auf mehrere Megawatt bei verhältnismäßig geringen Wasserentnahmemengen sinnvoll skaliert werden.
Um den hohen Anforderungen an kommunale Versorgungsinfrastrukturen Rechnung zu tragen, ist es erforderlich, neben wissenschaftlichen Grundlagenuntersuchungen die Zuverlässigkeit dieses neuartigen Verfahrens zu steigern und dessen Integrität in zukünftige Nah- und Fernwärmeversorgungsinfrastrukturen in einer Realumgebung nachzuweisen.
Ziel
Ausgehend von der Zielstellung eines vollautomatisierten Gesamtsystems am jeweiligen Standort sollen über einen virtuell aufzubauenden Leitstand Messdaten und Systeminformationen verwaltet bzw. analysiert werden. Besonderes Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Punkten Systemeffizienz/Systemoptimierung und der Generierung von wichtigen Langzeiterfahrungen unter Berücksichtigung verschiedener Last- und Betriebsszenarien. Die Modifikation einzelner Anlagenbestandteile erfolgt dazu abschnittsweise im Rahmen der Versuchsphase. Die technisch-wirtschaftliche Einbindung in bestehende Nah- und Fernwärmeinfrastrukturen gibt dabei den notwendigen Rahmen vor.
Auf Seiten der Wärmequelle (Gewässer) sollen vor allem Fragen zur ganzjährigen Verfügbarkeit sowie zu den gewässerökologischen Auswirkungen beantwortet werden, um die bei einer Marktdurchdringung notwendigen Planungs- und Genehmigungsprozesse untersetzen bzw. vereinfachen zu können. Dazu werden über die Generierung von Langzeitinformationen hinaus verschiedene Varianten der Wasserentnahme und -rückführung sowohl simulativ als auch experimentell untersucht.
Übergeordnet zielt das Projekt auf den Aufbau einer Forschungskooperation auf dem Gebieten »Wasser als Kältemittel«/Wärme- und Kälteversorgung/komplexe Energiesysteme sowie der Schaffung eines neuen regionalen Kompetenzfeldes, Stärkung der Wertschöpfungsketten in der Oberlausitz und Vorbereitung weiterer Nutzungsansätze/Industrialisierungsmaßnahmen.
Wärmepumpenkaskade mit Vakuum-Flüssigeis-Erzeuger zur Nutzung von Flüssen als Wärmequelle
Ergebnisse der Technologie-Demonstration im Projekt AQVA HEAT I
- Erfolgreiche Demonstration eines auf Vakuum-Flüssigeis basierenden Flusswasser-Wärmepumpenprozesses
- Nennleistung von 200 kW auch bei der minimal aufgetretenen Flusswasser-Temperatur von 1,5 °C erreicht
- Zuverlässiger Transport und Wiedereinleitung des Flüssigeises in den Fluss
- Gewässerökologisches Monitoring ergab keine negativen Auswirkungen durch Einleitung von Eisschlamm mit teilentgastem Wasser und Absenkung der Temperatur
- Festgelegter Grenzwert (6 mg/l) für den Sauerstoffgehalt im Flusswasser 3 Meter flussabwärts der Einleitungsstelle wurde jederzeit eingehalten
Vergleich der Betriebsarten des Vakuum-Eis/Direktverdampfungssystems: »mit Eisbildung« (links) und »ohne Eisbildung« (rechts
Aktuelle Arbeiten im Projekt AQVA HEAT II/III
- Aufbau von 2 Gewässerthermie-Anlagen (Fluss, Teich) in Zittau und Weißwasser
- Wärmeentzug durch Direktverdampfung/Vakuum-Flüssigeis
- Wärmeeinspeisung in das Fernwärmenetz Zittau: 500 kW, 58/92 °C
bzw. Bürogebäude Weißwasser: 100 kW, 70/55 °C - Monitoring, Optimierung
Mehr Infos unter www.theresa.hszg.de/projects/aqvaheat3