Ice-Grid Eisspeicher

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502280

Short description (German)

Das Projekt Ice-Grid untersucht das Potential der Integration von Eisspeichern in Anergie-Netze, sowohl als saisonale Speicher als auch als Kurzzeitspeicher um Spitzenlasten im Winter zu decken. In Zusammenarbeit mit der Begleitgruppe, bestehend aus Experten im Bereich Anergie-Netze, werden für die Schweiz relevante Varianten identifiziert. Über eine Simulationsstudie wird das ökonomische und ökologische Potential analysiert. Aus der Simulationsstudie werden Richtlinien zur Implementierung und Dimensionierung entwickelt. In einer Fallstudie zur realen Weiterentwicklung eines geeigneten Anergie-Netzes wird das Potential der entwickelten Tools aufgezeigt. Die im Projekt Ice-Grid entwickelte Software wird über die am SPF entwickelte Umgebung pytrnsys Open-Source zur Verfügung gestellt.

Short description (English)

The project Ice-Grid will study the potential of ice storages implemented into low temperature thermal“anergy” networks as seasonal storage and as short-term storage to cover peak winter demands. Systemcombinations that are most relevant for anergy networks in Switzerland will be identified in closecollaboration with the advisory board, consisting of experts in the field of anergy networks. In a simulationstudy the cost-energetic potential of ice storages in thermal networks will be analysed. From thesimulation study, rules for implementation and dimensioning of the ice storage with different sourcesfor regeneration will be developed and recommendations for cases having a large potential for implementingice storages will be drawn. In a last step the knowledge gained in the project will applied to acase study for further development of an existing network showing the potential of the tools developedand the relevance of the ice storage in anergy networks. Ice-Grid will follow the open-science approach,all software developments within the project will be made available as open source via the simulationframework pytrnsys developed at SPF.

Short description (French)

Le projet Ice-Grid étudie le potentiel d'intégration des accumulateurs de glace dans les réseaux anergie, aussi bien comme accumulateurs saisonniers que comme accumulateurs de courte durée pour couvrir les charges de pointe en hiver. En collaboration avec le groupe d'accompagnement, composé d'experts dans le domaine des réseaux anergie, des variantes pertinentes pour la Suisse sont identifiées. Le potentiel économique et écologique est analysé dans le cadre d'une étude de simulation. Des directives pour la mise en œuvre et le dimensionnement seront développées à partir de l'étude de simulation. Une étude de cas portant sur le développement réel d'un réseau anergie approprié démontre le potentiel des outils développés. Le logiciel développé dans le cadre du projet Ice-Grid est mis à disposition en open-source via l'environnement pytrnsys développé au SPF.

 

Final report (German)

Gemäss der Energiestrategie 2050+ soll der Anteil der Fernwärme an der Wärmeversorgung in der Schweiz auf rund 30% stark ansteigen. Dabei werden vermehrt sogenannte Anergienetze erstellt, welche die Energie einer Niedertemperaturquelle auf deren Temperaturniveau an dezentral in den Gebäuden installierte Wärmepumpen verteilen. Viele der in der Schweiz verfügbaren Niedertemperaturquellen, wie z.B. Abwärme aus Kläranlagen, sind in ihrer Leistung begrenzt oder stehen im Falle der Solarthermie an kalten Wintertagen nur eingeschränkt oder gar nicht zur Verfügung. In diesem Projekt wird untersucht, inwieweit Eisspeicher in Wärmenetze integriert werden können, um solche Leistungsengpässe oder Lücken zu überbrücken. Aufgrund des hohen Energieinhalts beim Phasenübergang eignen sich Eisspeicher zur Speicherung großer Energiemengen bei tiefen Temperaturen von null Grad Celsius. Aus diesem Grund werden auch in der Schweiz immer mehr und immer grössere Eisspeicher als Energiequelle für Wärmepumpen eingesetzt. Als Beispiel für die Untersuchungen diente der Energieverbund Jona, der die Abwärme der ARA in einem an dezentrale Wärmepumpen verteilt und damit nutzbar macht. In frostschutzgbefüllten Netzen können Eisspeicher einfach und direkt eingebunden werden. Das Einfrieren des Wärmetauschers auf der Kläranlagenseite muss dabei durch eine Beimischung aus dem Vorlauf verhindert werden. In Ergänzung zu derartigen, leistungsbegrenzten Abwärmequellen reichen bereits kleine Eisspeichervolumina aus, um Leistungsspitzen im Winter zu überbrücken. Da aber in der Übergangszeit bereits viel überschüssige Abwärme zur Regeneration von Eisspeichern zur Verfügung steht, können grössere Eisspeicher die Kapazität solcher Quellen mehr als verdoppeln. Eisspeicher können ebenfalls mit skalierbarensaisonealen Wärmequellen bei der Aussenlust oder Solarthermie kombiniert werden. Bei einer grosszügigen Dimensionierung dieser Quellen sind Eisspeichergrössen von ca. 0.6m3/MWh Bedarf erforderlich, um einen ganzjährigen Betrieb des Netzes bei 0 °C zu ermöglichen.

Final report (English)

According to the Energy Strategy 2050+, the share of district heating (DH) in Switzerland’s heat supply is set to rise sharply to around 30 %. An increasingly popular type of district heating (DH) network is the anergy network, which distributes energy from a low-temperature source to decentralized heat pumps installed in buildings. Many low-temperature energy sources available in Switzerland have limitations, either in their power output (e.g., waste heat from sewage treatment plants) or in their availability during cold winter days, if at all (e.g., solar thermal energy). Due to the high amount of energy released (or absorbed) during the liquid/solid phase transition of water, ice storage are suitable for storing large amounts of energy at temperatures near 0°C. For this reason, ice storages are being used in buildings as an energy source for heat pumps in Switzerland, in so-called solar-ice systems. However, until now, there has been a lack of analysis on integrating large-scale ice storage into district heating networks. In IceGrids, we explored the energetic feasibility and economic viability of integrating ice storages into low-temperature district heating networks, also known as 5th generation district heating and cooling (5GDHC). As a case study, our investigation focused on the Jona energy network, which utilizes waste heat from a waste water treatment plant (WWTP) to supply decentralized heat pumps, making the heat usable. Ice storage tanks can be easily integrated into 5GDHC networks that employ an antifreeze heat transfer fluid, as the Jona network. However, freezing of the heat exchanger on the sewage treatment plant side must be prevented by a partial recirculation from the flow pipe. Based on the results in this study, the following findings emmerge: In combination with power limited waste heat sources, even small ice storage volumes are sufficient to bridge power peaks in winter. As a lot of surplus waste heat is readily available for regenerating ice storage systems during the transition period, ice storage systems can more than double the capacity of such sources. When combining ice storage tanks with scalable seasonal heat sources (e.g.outdoor air or solarthermal energy), ice storage sizes of approx. 0.6m3/MWh are required to enable year-round operation of the network at 0 °C.

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• Final report_english [PDF] 17'437 kB