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School of Engineering

Bachelorarbeit Energie- und Umwelttechnik: Thermische Speicher für Kehrrichtverbrennungsanlagen

Thermische Speicher für Kehrichtverwertungsanlagen

Die freigesetzte Energie in Kehrichtverwertungsanlagen wird neben der Stromproduktion auch zur Wärmeversorgung eingesetzt. Eine effiziente Deckung des Wärmebedarfes benötigt thermische Speicherlösungen. Patricia Kiener und Marc Stöckli haben untersucht, welche Speicherarten sich dafür eignen.

In Winterthur verarbeitet die Kehrichtverwertungsanlage (KVA) jährlich rund 180'000 Tonnen Abfälle aus Winterthur und Umgebung. Durch Wärme-Kraft-Kopplung wird aus der dabei frei werdenden Energie neben elektrischer Energie auch Fernwärme für rund 600 Liegenschaften generiert. Mit dieser effizienten Methode der Wärmeerzeugung wird bereits rund 15 Prozent des Winterthurer Wärmebedarfs abgedeckt – Tendenz steigend. Zwischen dem Wärmeleistungsangebot und dem Wärmebedarf besteht allerdings eine Diskrepanz, so dass für einen effizienten Betrieb Speicherlösungen gefunden werden müssen. Im Auftrag von Stadtwerk Winterthur haben Patricia Kiener und Marc Stöckli deshalb in ihrer Bachelorarbeit thermische Speicher untersucht, welche den zeitlichen Unterschied von Produktion und Verbrauch oder die örtlich unabhängige Nutzung der Wärme ermöglichen.

Zwei verschiedene Anwendungen

Das Ziel dieser Arbeit war ein Vergleich von möglichen Speicherarten, die einerseits als mobile Heizzentrale oder andererseits als Lastspitzenspeicher dienen könnten. Obwohl beide Speicher in der KVA durch Auskopplung von Wärme geladen werden, unterscheiden sie sich in Grösse und Einsatzgebiet. «Die mobile Heizzentrale wird direkt bei den Kunden vor Ort eingesetzt», erklärt Patricia Kiener. «Sie kommt dort als Übergangslösung zum Einsatz, wo noch kein Anschluss an das Fernwärmenetz verlegt werden konnte.» Im Gegensatz zur kompakten mobilen Heizzentrale steht der grosse Lastspitzenspeicher direkt in der KVA. Er soll während Spitzenverbrauchszeiten zum Einsatz kommen und dann den überdurchschnittlichen Bedarf an Wärme decken. «So ein Peak ist beispielsweise der Montagmorgen, wenn Schulen und Betriebe nach dem Wochenende die Heizungen wieder aufdrehen», so Marc Stöckli.

«So ein Peak ist beispielsweise der Montagmorgen, wenn Schulen und Betriebe nach dem Wochenende die Heizungen wieder aufdrehen.»

Marc Stöckli

Latentwärmespeicher ideal

Patricia Kiener und Marc Stöckli haben im Rahmen ihrer Bachelorarbeit mögliche thermische Speicherarten ermittelt und ihren praktischen Einsatz überprüft. Die geeigneten Speicher haben sie mit herkömmlichen Heisswasser-Speichern in Bezug auf Energiedichte, Entladeleistung und Gesamtvolumen des Speichers verglichen. Fazit der Untersuchungen: Latentwärmespeicher eignen sich am besten. Sie nutzen die frei werdende Energie im Phasenübergang eines Materials. Dafür werden Speichermaterialien eingesetzt, deren latente Schmelzwärme wesentlich grösser ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität speichern können. Latentwärmespeicher kommen nicht nur als mobile Heizzentrale, sondern auch als Lastspitzenspeicher in Frage. «Grundsätzlich können Latentwärmespeicher für beide Anwendungen eingesetzt werden», so Patricia Kiener. «Entscheidend ist dabei aber, dass im gewählten Speichermaterial der Phasenübergang im Temperaturniveau des Anwendungsbereichs stattfindet.»

Empfehlung für Speichermaterialien

Unter dieser Voraussetzung haben Patricia Kiener und Marc Stöckli unterschiedliche Speichermaterialien betrachtet. Der Vergleich zeigt, dass sich für den Einsatz als mobile Heizzentrale ein Salzhydrat mit einem Schmelzpunkt von rund 60 °C anbietet. «Aufgrund der verfügbaren Energie des Speichers und der maximal abrufbaren Leistung könnte ein solcher Speicher vor allem für Einfamilien- und mittelgrosse Mehrfamilienhäuser angewendet werden», so Marc Stöckli. Auch für den Lastspitzenspeicher haben er und Patricia Kiener eine mögliche Lösung gefunden: Als Lastspitzenspeicher im Heisswassernetz der Fernwärme eignet sich ein Zuckeralkohol mit einem Schmelzpunkt von 117 °C besonders gut. Allerdings sind momentan noch keine entsprechenden Speicher in der verlangten Grösse auf dem Markt erhältlich. Die Resultate der Bachelorarbeit dienen Stadtwerk Winterthur nun als Grundlage für einen möglichen Anschaffungsentscheid.

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