Anwenderbericht TU Darmstadt

SimulationX ermöglicht es Forschern, saisonale Energiespeicher der Zukunft zu untersuchen

Erforschung von Tiefbohr-Wärmespeichersystemen

Das Institut für Angewandte Geowissenschaften (IAG) an der TU Darmstadt unter der Führung von Professor Ingo Sass ist Vorreiter bei der Erforschung der Nutzungsmöglichkeiten von Tiefbohrlöchern als saisonale Energiespeicher. In der Master-Arbeit von Julian Formhals, IAG der TU Darmstadt, kam die Simulationssoftware SimulationX zur Untersuchung des Potentials solcher Energiespeicher zum Einsatz einschließlich der Anbindung an das Fernwärmenetz zur Speicherung von Sonnenenergie aus den Sommermonaten für die Beheizung von Bürogebäuden im Winter.

Aufgabe

Machbarkeitsnachweis und Dimensionierung

Ein Fernwärmesystem versorgt über ein Netzwerk von Leitungen Gebäude von einem zentralen Punkt aus (z.B. einem Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerk) mit Warmwasser. Um den Anteil an erneuerbarer Energie für die Beheizung der Gebäude zu erhöhen, können thermische Sonnenkollektoren für das Einfangen von Sonnenstrahlung und Speichern in einem Wärmeträgermedium verwendet werden. Die Herausforderung der Nutzung von Solarenergie zum Heizen besteht darin, dass die Wärmegewinnung, die meist in den Sommermonaten stattfindet, nicht mit dem Wärmebedarf der Wintermonate korreliert. Eine mögliche Lösung dafür ist die Speicherung der während des Sommers gewonnenen Wärme in Tiefbohrlöchern.

Tiefbohr-Energiespeicher sind noch nicht für die kommerzielle Nutzung geeignet. Allerdings gibt es weltweit mittlerweile diverse Beispiele, die sich für weitere Untersuchungen und Verbesserungen des Wirkungsgrads solcher Speichersysteme anbieten. Die Dimensionierung und Berechnung von saisonalen Energiespeichersystemen umfasst Bereiche unterschiedlicher Komplexität, so z. B. zeit- und ortsabhängige Wetterdaten sowie Wärmeverbrauch von Gebäuden, unterirdischer Wärmeverlust des Energiespeichers und auch die Auswirkungen von Wärmepumpen und Reglungssystemen. Um diese Technologie für die kommerzielle Nutzung weiter voranzutreiben, ist es nötig, das Gesamtsystem mit seinen Verbesserungsmöglichkeiten zu untersuchen und zu verstehen.

Lösung

Simulation mit der Green-Building-Bibliothek

Die Green-Building-Bibliothek in SimulationX dient der Berechnung des thermischen Solarenergiesystems, des Fernwärmesystems, der Wärmepumpe und der Steuerung. Der Verlauf des Wärmeverbrauchs bei den Gebäuden über ein ganzes Jahr wurde als Eingangsdaten verwendet, und das SimulationX-Modell wurde mithilfe der Co-Simulationsschnittstelle für MATLAB/Simulink mit einem bereits vorhandenen Modell eines Tiefbohr-Wärmespeichers in MATLAB verbunden. Eine besondere Herausforderung bei der Simulation von saisonalen Energiespeichern stellt die sehr lange Dauer (mehrere Jahre) der zu berechnenden Zeitspanne dar, um eine repräsentative Aussage über die Wirksamkeit des Energiespeichersystems treffen zu können. Die Green-Building-Bibliothek ermöglicht die Eingabe von Parametern, wie Katalogdaten von Solarpanel- und Wärmepumpenherstellern, um sowohl realistische Ergebnisse als auch schnelle Simulationszeiten zu erzielen.

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Nutzen

Energieeinsparpotentiale ermitteln

Durch die Verwendung eines SimulationX-Modells in Co-Simulation mit MATLAB ist die TU Darmstadt in der Lage, virtuelle Prototypen von Energiespeichersystemen zu erstellen, die in der Realität mehrere Millionen Euro kosten würden. Das Simulationsmodell erlaubt es den Forschern, ein gesamtes Jahr an Daten an nur einem Tag zu berechnen, wodurch die optimale Auslegung und Größe der Systemkomponenten wie Behälter, Wärmepumpen und Solarpanels gefunden werden kann. Außerdem können damit verschiedene Betriebsstrategien getestet werden, um Auswirkungen auf die Systemeffizienz zu ermitteln und die Technologieentwicklung für eine globale Marktreife bis zum Jahr 2020 voranzutreiben.

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