Die Komponente Schichtspeicher
Die Komponente Schichtspeicher repräsentiert einen thermischen Speicher, dessen Inhalt über mehrere unabhängige Temperaturschichten organisiert ist. Sie ermöglicht den zeitlich flexiblen Austausch von Energie zwischen Wärmeerzeugern und -verbrauchern. Die Ausgleichsströme sind Bestandteil der Optimierung für eine intelligente Nutzung der verfügbaren Kapazitäten und die Entwicklung einer dynamischen Speicherstrategie. Die Umschichtung der Wärme erhöht zusammen mit dem Freihalten von Kapazitäten für wertvolle Hochtemperaturwärme die Energiequalität und die Wertschöpfung.
Komponentenvorlage
Die Komponentenvorlage Schichtspeicher.e-ctpl befindet sich im Komponentenvorlagen-Ordner Wärmeversorgung.
Einbindung in ein Schema
Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die Einbindung der Komponente in ein Schema (HT = hohe Temperatur, NT = niedrige Temperatur).
Die Anzahl der Be- und Entladeanschlüsse wählen Sie unabhängig voneinander über Drop-down-Menüs: jeweils 1 (oben), 2 (oben und Mitte) oder 3 (oben, Mitte und unten). Damit ist der Schichtspeicher flexibel in unterschiedliche Netzkonfigurationen, z. B. mit Solarthermie, Wärmepumpen und Prozessabwärme, integrierbar.
Der Schichtspeicher kann, wie der Wärmespeicher, mit zwei Betriebsweisen in ein Schema eingebunden werden, die Sie einmal für alle Schichten gemeinsam wählen:
Funktionsweise
Der Schichtspeicher entkoppelt die Erzeugung und den Verbrauch zeitlich und verbindet die volatile Erzeugung durch dezentrale Anlagen und erneuerbare Energien mit vielfältigen Bedarfsansprüchen, z. B. an Prozess- und Heizwärme sowie Warmwasser, mit verschiedenen Temperaturanforderungen im Vor- und Rücklauf. Wärmeversorger mit unterschiedlichen Temperaturen können den Schichtspeicher aufladen.
Das Tutorial 09 demonstriert, wie die Komponente Schichtspeicher in einem Multitemperatursystem funktioniert.
In der aktuellen Version sind für die Komponente die Optimierung als saisonaler Speicher und eine Strukturoptimierung noch nicht möglich.
Schichten
Der Schichtspeicher speichert die Wärme in verschiedenen Schichten entsprechend ihrer Temperatur: die oberste Schicht hat die höchste und die unterste Schicht die niedrigste Temperatur. Die Speichergeometrie und die Einbindung in das Wärmenetz wird über die Anzahl der Schichten und Anschlüsse abgebildet. Jede Temperaturschicht kann ein eigenes Paar von Anschlussstutzen (Pins) zur Beladung und ein eigenes Paar Anschlussstutzen (Pins) zur Entladung haben. Jedes Paar Anschlussstutzen ist an einen individuell konfigurierbaren Wärmekreis angeschlossen und hat eine eigene Vor- und Rücklaufparametrierung. Diese Konfiguration der Anschlussstutzen erlaubt ein flexibles Ein- und Ausspeisen der einzelnen Temperaturschichten und damit verbunden eine unabhängige Veränderung des Füllstands für jede einzelne Schicht. Die Summe der Kapazitäten der einzelnen Schichten ist über die Vorgabe der Gesamtkapazität der speicherbaren Wärmemenge limitiert, die als Speicherkapazität, Speichervolumen oder Speichermasse vorgegeben werden kann. Die vorgegebenen Temperaturen dienen im Modell ausschließlich der Umrechnung des Energiegehalts einer Schicht in das Volumen der Schicht und bestimmen damit den Füllstand des Speichers. Die interne Wärmeleitung zwischen den Schichten (der unvermeidbare natürliche Wärmetransport von den wärmeren zu den kälteren Schichten) wird im Modell nicht berücksichtigt. Die Verluste beziehen sich ausschließlich auf den externen Wärmeverlust.
Temperaturmanagement
Die einzelnen Wärmekreise, welche über die Stutzen angeschlossen werden, sind innerhalb der Komponente auch über ein Modell verbunden, welches das Multitemperaturmanagement der Komponente erlaubt. Über die Einhaltung der Temperaturen für die Be- und Entladung der jeweiligen Schicht hinaus erfolgt die Bedarfsdeckung jedes Niveaus mittels einer Umschichtung und einer gewollten „Übertemperaturnutzung“.
Die Umschichtung beschreibt die Verdrängung der niedrigen Temperaturniveaus, wenn der Speicher voll ist, aber durch Erzeugung hohes Wärmepotenzial wieder verfügbar wird, dessen Nutzung sich ökonomisch lohnt. Im Modell wird dann die Schicht mit der niedrigeren Energie reduziert und die Schicht mit der höheren Energie entsprechend vergrößert. Auf diese Weise wird im Modell Wärme von den kalten Schichten unten in die warmen Schichten oben verlagert. Die Umschichtung ist Gegenstand der Optimierung, sie erfolgt nur, wenn sie sich wirtschaftlich lohnt.
Umgekehrt kann durch die Übertemperaturnutzung die Hochtemperaturschicht (mit dem höchsten Temperaturniveau) die beiden unteren Schichten und deren anliegenden Bedarf speisen, und die mittlere Schicht (mit dem mittleren Temperaturniveau) kann zusätzlich in den Wärmekreislauf der unteren Schicht (mit dem niedrigsten Temperaturniveau) entladen. Bei der Übertemperaturnutzung wird Energie der wärmeren Speicherschicht aktiv entnommen und für die niedrigeren Potenziale verwendet.
Die Kombination von Umschichtung und Übertemperaturnutzung, das heißt beiden Richtungen kalt/warm und warm/kalt, ermöglicht die dynamischen Speicherstrategien für die flexible Wärmenutzung.
Eingabedaten
Für alle Eingabewerte sind Standardwerte hinterlegt, die Sie auf den spezifischen Anwendungsfall anpassen müssen. Geben Sie wahlweise die Speicherkapazität, die Speichermasse oder das Speichervolumen vor.
Die vorgegebene Speicherkapazität entspricht der Annahme, dass der Schichtspeicher vollständig mit der oberen (heißen) Schicht befüllt wurde.
Die Be– und Entladeleistung können Sie als Feste Parameter für die maximale Be- und Entladeleistung oder als Kennlinien vorgeben (siehe folgende zwei Abbildungen).
Geben Sie optional die Minimale Teillast für das Be- und Entladen an.
Für die Dimensionierung geben Sie die Minimale Speichertemperatur, die Schichttemperaturen (Auslasstemperaturen), die Wärmekapazität und die Dichte des Speichermaterials vor. Geben Sie die Temperaturen für jede Schicht als Zeitreihen vor, wenn dynamische Temperaturverläufe detailliert abzubilden sind.
Wählen Sie die Betriebsweise entsprechend der im Schema gewählten Anschlussart (Bypass oder Hydraulische Weiche).
Zur Bestimmung des Betriebsverhaltens können Sie neben dem Minimalen und Maximalen Speicherfüllstand für jede Schicht einen separaten Anfangsfüllstand definieren.
Zum Lade- und Entladeverhalten geben Sie die Relativen Verluste in Prozent pro Tag, den Beladewirkungsgrad und den Entladewirkungsgrad (Standard 95 %) vor.
Neben den Technischen Eingabedaten geben Sie die Wirtschaftlichen Eingabedaten und bei Bedarf die Betrieblichen Randbedingungen vor.
Ausgabedaten
Die Technischen Ausgabedaten des Schichtspeichers enthalten die Speicherkapazität, die Be– und Entladeleistungen der einzelnen Schichten, die Füllstände und Wärmemengen des gesamten Speichers und der einzelnen Schichten sowie die Vollladezyklen und die Durchschnittstemperatur.
Die Betriebs– und Volllaststunden sind die Ausgabedaten zum Betriebsverhalten. Die Verluste werden für den gesamten Speicher und die einzelnen Schichten ausgegeben.
Für jede Schicht wird die Energiebilanz der Beladung und Entladung ausgewiesen.
