Saisonale thermische Energiespeicher für die Schweiz Innosuisse Flagship-Projekt SwissSTES

In diesem Teilprojekt wird ein Modellierungs- und Optimierungstool entwickelt, das den Betrieb von thermischen Energiespeichern (TES) in kommunalen Energiesystemen simuliert. TES bezeichnet Speicher für Wärmeenergie, die in Kombination mit verschiedenen Energiequellen betrieben werden können.

Das Tool ermöglicht die flexible Definition von Randbedingungen und berücksichtigt insbesondere die langfristig begrenzte Speicherkapazität. Ein Schwerpunkt liegt auf der Integration mit Geothermie, also der Nutzung von Erdwärme, um Versorgungslücken zu schliessen.

Ergänzend wurde ein Excel-basiertes Werkzeug zur techno-ökonomischen Bewertung entwickelt. Dieses erlaubt eine erste Abschätzung von Kosten, Nutzen und Potenzialen zur Reduktion von Spitzenlasten im Energiesystem.

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Wir entwickeln eine Methode zur Bewertung des technischen und räumlichen Potenzials von STES in Schweizer Gemeinden. GIS (Geoinformationssysteme) sind digitale Werkzeuge zur Analyse von geografischen Daten.

Ein kombinierter Ansatz aus Energiesystemmodellierung und räumlicher Analyse identifiziert geeignete Standorte basierend auf Kriterien wie Gelände, Infrastruktur und Bebauungsdichte. Diese werden in Energiemodelle integriert, um systemweite Effekte zu bewerten.

Zusätzlich werden industrielle Abwärmepotenziale analysiert und verschiedene Planungswerkzeuge verglichen. Ziel ist eine skalierbare Methode, die Gemeinden bei der strategischen Energieplanung unterstützt.

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Wir untersuchen die Umnutzung bestehender unterirdischer Strukturen wie Tunnel für die Wärmespeicherung. Diese Speicherform wird als CTES (Cavern Thermal Energy Storage) bezeichnet. Mittels LiDAR-Scanning (laserbasierte 3D-Vermessung) werden Geometrien erfasst und für die Planung optimiert. Ein Algorithmus berechnet kosteneffiziente Dämmkonzepte für komplexe Formen. Simulationen analysieren Wärmeverluste und Temperaturschichtung (Stratifikation), also die Bildung von Temperaturschichten im Speicher. Fallstudien zeigen, dass solche Speicher wirtschaftlich betrieben werden können und die benötigte Leistung von Wärmepumpen reduzieren.

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Wir entwickeln Modelle für sogenannte BTES-Systeme (Borehole Thermal Energy Storage), bei denen Wärme über Bohrlöcher im Boden gespeichert wird. Ein multiphysikalisches Simulationsmodell untersucht Wärmeleitung im Boden und Wärmeübertragung in den Rohren. Parametervariationen zeigen, wie Rohrdurchmesser, Anordnung und Abstand die Effizienz beeinflussen. Besonders wichtig ist die Minimierung thermischer Wechselwirkungen zwischen Bohrlöchern. Optimierte Layouts erreichen hohe Wirkungsgrade und ermöglichen eine flexible Anpassung an verschiedene Anwendungen, etwa in Quartieren oder grossen Gebäuden.

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In diesem Teilprojekt befassen wir uns mit PTES (Pit Thermal Energy Storage), grossen Erdbecken-Wärmespeichern. Der Fokus liegt auf der Nutzung der Oberfläche (Deckel) für zusätzliche Funktionen. Untersucht werden Konzepte wie Parkplätze, Gewächshäuser oder ökologische Ausgleichsflächen. Besonders hohe Akzeptanz zeigen biodiversitätsfördernde Lösungen. Zusätzlich werden technische Aspekte wie die optimale Neigung des Speichers analysiert. Eine grössere Neigung verbessert das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche und reduziert Wärmeverluste.

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Wir entwickeln Sorptionsspeicher, bei denen Wärme durch chemische Prozesse gespeichert wird. Sorption beschreibt die Aufnahme von Stoffen, meist Wasserdampf, in ein Material. Das System „SeasON“ nutzt einen Heat and Mass Exchanger (Wärme- und Stoffaustauscher), um Energie effizient zu speichern. Demonstrationsanlagen zeigen die Praxistauglichkeit. Parallel werden thermochemische Netzwerke (TCN) erforscht, die Energie in Form von chemischen Verbindungen transportieren. Diese ermöglichen eine verlustarme Speicherung und den Transport über grössere Distanzen.

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Wir entwickeln PCM-basierte Speicher (Phase Change Materials), die Wärme durch Phasenwechsel speichern. PCM sind Materialien, die beim Schmelzen oder Erstarren Energie aufnehmen oder abgeben. Pilotanlagen zeigen, dass solche Speicher Lastspitzen abfedern und die Effizienz von Fernwärmenetzen erhöhen können. Zusätzlich werden modulare unterirdische Speicher entwickelt, die skalierbar und kosteneffizient sind. Ein weiterer Fokus liegt auf Steuerungsstrategien für sogenannte „Schwarm-Speicher“, also vernetzte dezentrale Speicher.

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Wir untersuchen konkrete Anwendungsfälle in urbanen und regionalen Kontexten, unter anderem in Zug, Luzern und Bern. Analysiert werden verschiedene Speichertechnologien wie Tank-, Gruben- und PCM-Speicher sowie deren Integration in Fernwärmenetze. Ein Schwerpunkt liegt auf der Nutzung industrieller Abwärme. In Luzern wird beispielsweise die Kombination von Seewasser, Wärmepumpen und saisonalen Speichern untersucht. In Bern zeigen Simulationen, dass bereits moderate Speichergrössen die Spitzenlast deutlich reduzieren können. Die Fallstudien liefern wichtige Erkenntnisse für Planung, Wirtschaftlichkeit und Umsetzung von STES in der Praxis.

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