Under Lake Infrastructure for thermal capture and Storage of Solar Energy

• Unité de recherche: OFEN
• Numéro de projet: SI/502277

Description succincte (Allemand)

HydroThermale SeeNetzwerke (HTSN) wie die auf dem Campus der EPFL-UNIL oder das GLN-GeniLac in Genf, für Kühlung und Heizung sowie CORSAIRE Free-Heating (Wintertemperaturkorrektur von Trinkwassernetzen), reproduziert mit den 15 grossen Seen der Schweiz (30% der Bevölkerung) könnten mindestens 50 PJ erneuerbare thermische Energie und 3 TWh Spitzenstromeinsparungen (das Doppelte der Winterproduktion von Grande Dixence) für die Kohlenstoff- und Atomneutralität der Schweiz im Jahr 2050 liefern!

Die sommerliche "freie Kühlung" mit kaltem Wasser (≈7°C), das in die Nähe des Seebodens gepumpt wird, ist sehr effizient (COP bis zu 18). Auf der anderen Seite ist die Beheizung von Gebäuden im Winter etwa viermal weniger effizient. Dies ist auf den unvermeidlichen Einsatz von thermodynamischen Wärmepumpen zurückzuführen, aber auch auf die nutzbare Temperaturdifferenz (ΔT) des Seewassers, die im Winter fast dreimal niedriger ist (ΔT ≈ 2-3K) als im Sommer (ΔT ≈ 5-6K).

Dieser winterliche Engpass des HTSN, der sich negativ auf die Leistung der Wärmepumpen und die hydraulische Pumpenergie auswirkt, könnte ebenso wie die verbesserte CORSAIRE-Freiflächenheizung beseitigt werden, indem die Wintertemperatur der Seequelle um etwa 15 K (≈20°C) erhöht wird. Dies geschieht durch 300 große, flexible, selbsttragende, quasi-zylindrische Tanks, die auf dem Grund der großen Schweizer Seen verschraubt sind und mit temperiertem, von der Sommersonne erwärmtem Wasser aus der oberen Schicht gefüllt werden (2 Mio. m3 & 40 GWht/Einheit). Die Ladepumpen werden mit Fotovoltaikstrom betrieben und reduzieren so die Verbrauchsspitzen (Netzüberlastungskappung).

Die thermische Konvektion von ULISSE in der Wassersäule des Sees könnte die Zirkulation von Nährstoffen und die Sauerstoffversorgung der unteren Schicht verbessern und so das aquatische Ökosystem vor Eutrophierung und globaler Erwärmung schützen.

Dieses "Outside-the-box Rethinking"-Projekt schlägt eine interdisziplinäre (technisch-ökonomische, ökologische) Untersuchung des ULISSE-Konzepts und der Durchführbarkeit seiner Umsetzung auf großen Schweizer Seen vor, einschließlich einer theoretischen und experimentellen Analyse (kleiner Prototyp).

Description succincte (Anglais)

Lake HydroThermal Networks (LHTN) such as those on the EPFL-UNIL campus or the GLN-GeniLac in Geneva, for cooling and heating as well as CORSAIRE free-heating (winter temperature correction of drinking water networks), reproduced with the 15 large lakes of Switzerland (30% of the population) could provide at least 50 PJ of renewable thermal energy and 3 TWh of peak electricity savings (twice the winter production of Grande Dixence), for the carbon and nuclear neutrality of Switzerland in 2050 !

Summer "free-cooling" with cold water (≈7°C) pumped near the bottom of the lake is very efficient (COP up to 18). On the other hand, winter heating of buildings is about 4 times less efficient. This is due to the unavoidable use of thermodynamic heat pumps but also to the exploitable round-trip temperature differential (ΔT) of the lake water, which is almost 3 times lower in winter (ΔT ≈ 2-3K) than in summer (ΔT ≈ 5-6K).

This winter bottleneck of the LHTN, negatively impacting the performance of the heat pumps and the hydraulic pumping energy, could be removed as well as the CORSAIRE free-heating improved, by increasing the winter temperature of the lake source by about 15K (≈20°C). This is done by 300 large, flexible, self-supporting, quasi-cylindrical reservoirs, screw-anchored to the bottom of the large Swiss lakes and charged with temperate water from the upper layer heated by the summer sun (2 M m3 & 40 GWht/unit). The loading pumps are powered by photovoltaic electricity, reducing consumption peaks (grid overload curtailment).

The thermal convections of ULISSE in the water column of the lake could improve the circulation of nutrients and oxygenation of the lower layer, protecting the aquatic ecosystem against eutrophication and global warming.

This "Outside-the-box Rethinking" project proposes an interdisciplinary (techno-economic, environmental) exploration of the ULISSE concept, the feasibility of its implementation on large Swiss lakes; including a theoretical and experimental analysis (small-scale prototype).

Description succincte (Français)

Les Réseaux HydroThermaux Lacustres (RHTL) comme ceux du campus de l'EPFL-UNIL ou le GLN-GeniLac de Genève, pour le refroidissement et le chauffage ainsi que le "free-heating" CORSAIRE (correction de la température hivernale des réseaux d'eau potable), reproduits avec les 15 grands lacs de Suisse (30% de la population) pourraient fournir au moins 50 PJ d'énergie thermique renouvelable et 3 TWh d'économies d'électricité de pointe (deux fois la production hivernale de la Grande Dixence), pour la neutralité carbone et nucléaire de la Suisse en 2050 !

Le " free-cooling " estival avec de l'eau froide (≈7°C) pompée près du fond du lac est très efficace (COP jusqu'à 18). Par contre, le chauffage hivernal des bâtiments est environ 4 fois moins efficace. Ceci par l’usage inévitable des pompes à chaleur thermodynamiques mais aussi par le différentiel de température (ΔT) aller-retour exploitable de l’eau du lac, près de 3 fois plus faible en hiver (ΔT ≈ 2-3K) qu’en été (ΔT ≈ 5-6K).

Ce goulot d'étranglement hivernal des RHTL, impactant négativement la performance des pompes à chaleur et l'énergie hydraulique de pompage, pourrait être supprimé ainsi que le free-heating CORSAIRE amélioré, en augmentant la température hivernale de la source du lac d'environ 15K (≈20°C). Ceci par 300 grands réservoirs autoportants, flexibles et quasi semi-cylindriques, ancrés par vissage au fond des grands lacs suisses et chargés d'eau tempérée issue de la couche supérieure chauffée par le soleil d'été (2 M m3 & 40 GWht/unité). Les pompes de chargement sont alimentées par de l'électricité photovoltaïque, réduisant ainsi les pics de consommation (écrêtement des surcharges du réseau).

Les convections thermiques d'ULISSE dans la colonne d'eau du lac, pourraient améliorer la circulation des nutriments et l'oxygénation de la couche inférieure, protégeant ainsi l'écosystème aquatique contre l'eutrophisation et le réchauffement climatique.

Ce projet "Outside-the-box Rethinking" propose une exploration interdisciplinaire (techno-économique, environnementale) du concept ULISSE, de la faisabilité de sa mise en œuvre sur les grands lacs suisses ; comprenant une analyse théorique et expérimentale (prototype à échelle réduite).

Description succincte (Italien)

Reti IdroTermali Lacustri (RITL) come quelle del campus EPFL-UNIL o il GLN-GeniLac a Ginevra, per il raffreddamento e il riscaldamento e il riscaldamento libero CORSAIRE (correzione della temperatura invernale delle reti di acqua potabile), riprodotto con i 15 grandi laghi della Svizzera (30% della popolazione) potrebbe fornire almeno 50 PJ di energia termica rinnovabile e 3 TWh di risparmio di elettricità di picco (due volte la produzione invernale di Grande Dixence), per la neutralità carbonica e nucleare della Svizzera nel 2050!

Il "free-cooling" estivo con acqua fredda (≈7°C) pompata vicino al fondo del lago è molto efficiente (COP fino a 18). D'altra parte, il riscaldamento invernale degli edifici è circa 4 volte meno efficiente. Ciò è dovuto all'uso inevitabile di pompe di calore termodinamiche, ma anche al differenziale di temperatura (ΔT) dell'acqua del lago, che è quasi 3 volte più basso in inverno (ΔT ≈ 2-3K) che in estate (ΔT ≈ 5-6K).

Questo collo di bottiglia invernale del RIL, che influisce negativamente sul rendimento delle pompe di calore e sull'energia idraulica di pompaggio, potrebbe essere eliminato così come il miglior riscaldamento libero di CORSAIRE, aumentando la temperatura invernale della sorgente del lago di circa 15K (≈20°C). Questo viene fatto da 300 grandi serbatoi quasi cilindrici, flessibili e autoportanti, ancorati a vite sul fondo dei grandi laghi svizzeri e caricati con acqua temperata dello strato superiore riscaldata dal sole estivo (2 M m3 & 40 GWht/unità). Le pompe di carico sono alimentate da elettricità fotovoltaica, riducendo così i picchi di consumo (capping di sovraccarico della rete).

Le convezioni termiche di ULISSE nella colonna d'acqua del lago potrebbero migliorare la circolazione dei nutrienti e l'ossigenazione dello strato inferiore, proteggendo così l'ecosistema acquatico dall'eutrofizzazione e dal riscaldamento globale.

Questo progetto "Outside-the-box Rethinking" propone un'esplorazione interdisciplinare (tecno-economica, ambientale) del concetto ULISSE, la fattibilità della sua implementazione su grandi laghi svizzeri; inclusa un'analisi teorica e sperimentale (prototipo su piccola scala).