08/2019 – 03/2020

k. A.

Die Stadtwerke am See werden dabei unterstützt, eine große netzgebundene Solarthermieanlage zu realisieren.

Stadtwerk am See GmbH & Co. KG

• Steinbeis Forschungsinstitut Solites (DE)

Die Beauftragung durch die Stadtwerke am See GmbH & Co. KG zielt darauf ab, den Auftraggeber bei den vorbereitenden Schritten einer Ausschreibung zur Realisierung einer großen Solarthermieanlage zu unterstützen, um eine speziell für die Randbedingungen der Stadtwerke passende Solarthermieanlage zu erhalten.

Basierend auf den gemeinsam mit dem Auftraggeber erarbeiteten Randbedingungen wird eine Grobdimensionierung der Solarthermieanlage mit Kurzzeitwärmespeicher durchgeführt. Eine aufbauende Wirtschaftlichkeitsbetrachtung weist die zu erwartenden Wärmegestehungskosten der unterschiedlichen Systemkonfigurationen aus.

Für die örtlichen Randbedingungen wurden mehrere Systemkonfigurationen zur solaren Deckung des sommerlichen Wärmebedarfs im Wärmenetzsystem ermittelt. Hierbei wurde ein besonderer Fokus auf die resultierenden solaren Wärmegestehungskosten gelegt.

04/2016 – 07/2017

n/a

Feasibility study for a greenhouse heating with solar thermal collectors, seasonal thermal energy storage and an electrical heat pump on behalf of a South Korean solar collector manufacturer. The results of the study should be implemented as part of a pilot project.

S&G Energy Corporation, South Korea

• Steinbeis Research Institute Solites (DE)
• Prof. Taebeom Seo, Inha University Seoul (South Korea)

The aim of the feasibility study was to determine a system concept consisting of solar thermal energy, a seasonal thermal energy storage and an electrically driven heat pump to cover the specified heat requirements of a greenhouse with the highest possible solar fraction.

The following work was carried out in the project:

• Development of a suitable system concept
• Development and documentation of the associated control concept
• Transfer of the plant and control concept into a simulation model
• Carrying out a parameter study for the central configuration parameters
• Determination of the target variant and dimensioning of the main system components

Taking the client’s ideas into account, one target variant was determined and proposed for execution.

04/2016 – 07/2017

k. A.

Durchführung einer Machbarkeitsuntersuchung für einen Kollektorhersteller aus Südkorea zur solarthermischen Beheizung eines Gewächshauses inklusive saisonaler Wärmespeicherung. Die Resultate der Studie sollten im Rahmen eines Pilotvorhabens umgesetzt werden.

S&G Energy Corporation, Südkorea

• Steinbeis Forschungsinstitut Solites (DE)
• Prof. Taebeom Seo, Inha University Seoul (Südkorea)

Ziel der Machbarkeitsuntersuchung ist die Ermittlung eines Anlagenkonzeptes, bestehend aus Solarthermie, saisonalem Wärmespeicher und elektrisch betriebener Wärmepumpe, zur Deckung des vorgegebenen Wärmebedarfs eines Gewächshauses mit einem möglichst hohen solaren Deckungsanteil.

Im Projekt wurden folgende Arbeiten durchgeführt:

• Erarbeitung eines geeigneten Anlagenkonzeptes
• Erstellung und Dokumentation des zugehörigen Regelungskonzeptes
• Überführung von Anlagen- und Regelungskonzept in ein Simulationsmodell
• Durchführung einer Parameterstudie für die zentralen Konfigurationsparameter
• Bestimmung der Zielvariante und Dimensionierung der Hauptkomponenten

Unter Einbeziehung der Wünsche des Auftraggebers wurde eine Zielvariante bestimmt und zur Ausführung vorgeschlagen.

10/2017 – 03/2020

n/a

Modern district heating and cooling (DHC) systems are a key technology for the energy transition, because they enable at a large scale to couple the heat and electricity sector and hence to increase the flexibility of the overall energy system. Large thermal energy storages (TES) in DHC systems further render possible the integration of high shares of renewable energy sources, to integrate excess electricity from RES and to optimize CHP.

The project contributes towards the development of data, information and analysis tools to encourage the use of cost-effective large scale underground thermal energy seasonal storage (UTES) in smart district heating and cooling systems. Large scale thermal energy storage technologies of interest for this international collaboration are aquifer and pit thermal energy storage (ATES and PTES).

IEA DHC|CHP:
INTERNATIONAL ENERGY AGENCY TECHNOLOGY COLLABORATION PROGRAMME on District Heating and Cooling including Combined Heat and Power

• Steinbeis Research Institute Solites (DE)
• Natural Resources Canada (NRCan) – CanmetENERGY (CA) (Koordinator)
• PlanEnergi (DK)
• Thermal Energy System Specialists (TESS) (USA)
• IF-Tech International (IFTech) (NL)
• Leidos (CA)

The main objective of the project is the completion of two base case studies:

1. York University base case study assesses the economic viability of smart district cooling with integrated ambient air-cold aquifer seasonal storage in delivering near 100 % emission-free cooling of buildings and communities with efficiencies significantly higher than those of ground source heat pumps.
2. Case study for a district heating system with integrated solar pit seasonal storage assesses the economic feasibility of the heat supply of a rural municipality in Germany with 100 % renewables including solar and biomass.

The project is divided into four tasks and concerns following points:

• State of the Art Reviews for ATES and PTES
• Two base case studies: York University for an ATES Cold storage and DHC system with integrated solar seasonal PTES for a municipality in a rural area in Germany
• Technical economic analysis of the two case studies based on TRNSYS simulation models for ATES and PTES, which have been reviewed and validated with performance data from realised projects
• Dissemination of the results

A status report on „Design Aspects for Large-Scale Aquifer and Pit Thermal Energy Storage for DHC“ including cost information, typical applications, project examples and a list of technology suppliers is available for download here.

A technical report summarizing the review, validation and documentation of the ATES and PTES TRNSYS models as well as results of the two base case studies is under preparation and will be available for download after finalisation

10/2017 – 03/2020

k. A.

Moderne Wärme- und Kältenetze (DHC) sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende, denn sie ermöglichen in großem Umfang die Kopplung des Wärmesektors mit dem Stromsektor und damit die Erhöhung der Flexibilität des gesamten Energiesystems. Große thermische Energiespeicher (TES) in DHC-Systemen ermöglichen zudem die Integration hoher Anteile an erneuerbaren Energiequellen, die Integration von Überschussstrom aus erneuerbaren Energien und die Optimierung von KWK-Anlagen.

Das Projekt trägt zur Entwicklung von Informationen, Daten und Analyseinstrumenten bei, um den Einsatz kostengünstiger großflächiger unterirdischer thermischer Energiespeicher (UTES) in innovativen Wärme- und Kältenetze zu fördern. Große thermische Energiespeichertechnologien, die für diese internationale Zusammenarbeit von Interesse sind, sind Aquifer- (ATES – aquifer thermal energy storage) und Erdbeckenwärmespeicher (PTES – pit thermal energy storage).

IEA DHC|CHP:
INTERNATIONALE ENERGIEAGENTUR – Kooperationsprogramm für Wärme- und Kältenetze einschließlich Kraft-Wärme-Kopplung

• Steinbeis Forschungsinstitut Solites (DE)
• Natural Resources Canada (NRCan) – CanmetENERGY (CA) (Koordinator)
• PlanEnergi (DK)
• Thermal Energy System Specialists (TESS) (USA)
• IF-Tech International (IFTech) (NL)
• Leidos (CA)

Das Hauptziel des Projekts ist die Erstellung von zwei Machbarkeitsuntersuchungen:

1. York University – bewertet die Wirtschaftlichkeit einer innovativen Kälteversorgung mit saisonalem, außenluftgekühlten Aquifer-Wärmespeicher, die annähernd 100 % emissionsfreie Kühlung für Gebäude und Quartiere ermöglicht.
2. Machbarkeitsuntersuchung zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer wärmenetzbasierten Wärmeversorgung mit integriertem Erdbecken-Wärmespeicher und mit hohem EE-Anteil für eine ländliche Gemeinde in Deutschland.

Das Projekt ist in vier Arbeitspakete unterteilt, wobei Folgendes bearbeitet wurde:

• Übersichtserstellung für ATES und PTES
• Zwei Machbarkeitsuntersuchungen: York University mit ATES und Kälteversorgung sowie die Wärmeversorgung mit integriertem Erdbecken-Wärmespeicher für eine ländliche Gemeinde in Deutschland
• Technisch-wirtschaftliche Analyse der beiden Machbarkeitsuntersuchungen basierend auf  TRNSYS-Simulationsmodellen, die mit Betriebsdaten aus realisierten Projekten validiert wurden
•  Verbreitung der Ergebnisse

Ein Statusbericht mit dem Titel “Design Aspects for Large-Scale Aquifer and Pit Thermal Energy Storage for DHC” mit Kosteninformationen, Anwendungsfeldern, Projektbeispielen und einer Liste von Technologieanbietern steht hier zum Download bereit.

Ein technischer Bericht, der die Überprüfung, Validierung und Dokumentation der TRNSYS-Modelle für ATES und PTES, sowie die Ergebnisse der beiden Machbarkeitsuntersuchungen zusammenfasst, befindet sich in Bearbeitung und wird nach Fertigstellung zum Download zur Verfügung stehen.

since 02/2019

n/a

Based on the intention of the inhabitants, the utilities of Hechingen and the City of Hechingen, a development area should be supplied by a district heating network with a high fraction of renewable energies aiming for 100 % renewable energy supply. In execution of this study, local renewable energy sources are identified and possible concepts for a heat supply are developed and evaluated by dynamic system simulations. The aim is to use solar thermal and geothermal energies and to avoid a usage of biomass.

Stadtwerke Hechingen (Utilities of Hechingen)

• Steinbeis Research Institute Solites (DE)
• Stadtwerke Hechingen (DE) (utilities of Hechingen)
• City of Hechingen (DE)
• TEWAG – Engineering Office for Geothermal Energy (DE)

• Determination of the cooling and heating demand of the development area „Killberg IV“ in Hechingen
• Development of the heat supply concepts with high levels of renewable energies
• Economic and ecological assessment of the concepts

Solites supports the utilities of Hechingen to implement the project which is funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) as a project called “Wärmenetze 4.0”. The study and consultation includes following aspects:

• Determination of the cooling and heating demand of the development area „Killberg IV“ in Hechingen
• Identification of local energy sources
• Development of divers heat supply concepts
• Simulation study for the technical evaluation of the concepts
• Economic and ecological assessment of the concepts

Feasibility study for the “Wärmenetz 4.0” project in Hechingen

04/2016 – 03/2020 (4 years)

490,000 EUR

The technology of borehole heat exchangers (BHE) is often used as a source for heat pumps for heating systems, as a heat sink for cooling systems as well as a heat storage. Both heating and cooling can be combined for a more efficient operation of the BHE-system. Since the heat energy supply from the underground is nearly infinte, shallow geothermal plants can contribute very well to a sustainable energy mix.

Installing BHE-plants is a complex intervention into the ground, so concerns about the integrity of these plants are still available. Therefore, quality assurance in all periods is needed – from the planning phase until the commissioning. In this project important aspects from a technical as well as from an economic and ecological point of view are examined.

Federal Ministry for Economic Affairs and Energy in Germany (BMWi)

• Steinbeis Research Institute Solites (DE)
• Bavarian Center of Applied Energy Research (ZAE Bayern) (DE)
• Universitiy of Applied Sciences Biberach – Institute of Buildings and Energy Systems (DE)
• Karlsruhe Institute of Technology (KIT) – Institute of Geography and Geoecology (DE)
• European Institute for Energy Research (EIFER) (DE)
• enOware GmbH (DE)
• Burkhardt Geological und Hydrological Boring GmbH & Co.KG (DE)

In this research project, questions resulting from damages from earlier failures in BHE plants which led to massive problems are investigated. Subsequently, solutions will be developed.

The project is divided in six parts with different focuses. Every joint research partner is working on an own subject.

Solites reveals a better understanding of the grouting process inside the borehole and how the quality of the backfilling of the boreholes after inserting the probes can be improved. For this purpose, the effects of pressure and filtration on the composition of the backfilling material und the formation of holes inside the backfilling are examined in real scale experiments.

Furthermore, it is investigated whether using a vibrator which is often used for concrete leads to an improved backfilling quality.

On basis of a better knowledge about the processes inside the borehole and of the experimental data, first simulations about the backfilling and hardening of the grouting material shall be carried out.

Using the vibration technology does not show a significant improvement of the backfilling quality.

The experiments about the filtration behaviour of the backfilling material are in process. First results do show an improvement of the backfilling quality in regard to former projects.

11/2015 – 04/2016

n/a

Is the heat transition in a rural area like the region of Eifel and Trier possible? Which strategies are suitable for achieving this aim?

These questions are answered within the study. The partner consortium focussed on the analysis of local ressources and values for obtaining a detailed picture of the possibilities in the region.

Ministry for Environment, Energy, Food and Forestry of the State of Rheinland-Pfalz

• Steinbeis Research Institute Solites (DE)
• Institute for FutureEnergy and Material Flows IZES gGmbH (DE) (Coordinator)
• Utilitiy of Trier AöR (DE)
• Energy Agency Region Trier GmbH (DE)
• Ecoscop Company for Environmental Consulting mbH (DE)
• University of Applied Sciences of Trier (DE)

The regional government of Rheinland-Pfalz aims at a reduction of Greenhouse Gas (GHG) emissions of 40 % until 2020 and of 90 % until 2050. This implies the necessity to transform also the heating sector to carbon neutrality.

The study analyses how this aim can be achieved for the region of Eifel and Trier in an exemplary way.

The study includes following parts:

• Analysis of the sectoral heat demand
• Heat generation potential
• Efficiency potential of the building sector
• Development of scenarios

The study shows that the heat transition requires enormous efforts and new concepts.

None of the derived scenarios is sufficient for achieving the ambitious aims of the State of Rheinland-Pfalz, for reducing GHG emissions by 90 % until the year 2050.

11/2015 – 04/2016

k. A.

Ist die Wärmewende hin zu einer regional-autarken Wärmeversorgung in der eher ländlich dominierten Region Eifel und Trier möglich? Welche Strategie muss hinterlegt werden, um dieses Ziel zu erreichen?

Diese Fragen sollen durch die vorliegende Studie im Kern beantwortet werden. Die Analyse konzentriert sich auf regional basierte Werte, um so ein möglichst genaues Bild der Region zu erhalten.

Ministerium für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten des Landes Rheinland-Pfalz

• Steinbeis Forschungsinstitut Solites (DE)
• Institut für ZukunftsEnergie- und Stoffstromsysteme IZES gGmbH (DE) (Koordinator)
• Stadtwerke Trier SWT-AöR (DE)
• Energieagentur Region Trier GmbH (DE)
• Ecoscop Gesellschaft für Umweltberatung und -recherche mbH (DE)
• Hochschule Trier (DE)

Die Landesregierung von Rheinland-Pfalz hat sich zum Ziel gesetzt, die Gesamtsumme aller Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) in Rheinland-Pfalz bis zum Jahr 2020 um 40 % im Vergleich zum Basisjahr 1990 und bis zum Jahr 2050 um mindestens 90 % zu verringern. Daraus erwächst die Notwendigkeit auch den Wärmesektor klimaneutral umzugestalten. Die Studie zeigt auf, wie dieses Ziel beispielhaft für die Region Eifel und Trier erreicht werden kann.

Folgende Punkte sind in der Studie enthalten:

• Sektorielle Wärmebedarfsermittlung
• Möglichkeiten der Wärmebereitstellung und Potentiale
• Potential der Gebäudesanierung
• Szenarioentwicklung

Die Studie zeigt, dass es bei der Wärmewende größerer Anstrengungen bedarf und neue Konzepte zur Umsetzung notwendig sind, um eine Dekarbonisierung im Wärmebereich zu erreichen.

Keines der entwickelten Szenarien reicht aus, um die bis 2050 im Klimaschutzkonzept des Landes Rheinland-Pfalz geforderte Minderung der THG-Emissionen um 90 % über alle Sektoren hinweg zu erreichen.

07/2019 – 06/2022

367.832 (Solites)

The decentralized feed-in of solar heat into district heating networks is a promising option for the decarbonization of heating networks in urban areas. However, there are still many technical and organizational issues regarding this approach that have not been solved yet. Accordingly, many key players are reluctant to erect a solar heating plant with decentralized feed-in.

The Stadtwerke Düsseldorf AG is different. In the previous project SWD.SOL (runtime: 2015 to 2018), they demonstrated pioneering spirit and constructed an experimental plant on a real scale. This experimental plant can be used for practical testing of decentralized solar heat feed-in into the existing district heating system in Düsseldorf. By using the implemented experimental plant, the SWD.SOL2 project will carry out an evaluation of different hydraulic variants for the decentralized integration of solar heat into large urban district heating networks.

Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) (FKZ 03EN3004B)

• Steinbeis Research Institute Solites (DE)
• Stadtwerke Düsseldorf (municipal utility) (DE)
• Environmental Agency Düsseldorf (DE)

The research project aims to fill essential gaps in knowledge on the field of decentralized solar heat feed-in and to support the market integration of the technology. In this respect, different hydraulic variants for decentralized solar heat feed-in will be tested at a location in the district heating network of the Stadtwerke Düsseldorf AG and analysed in complementary simulations. As a result, statements and recommendations regarding the hydraulic design and the control approach of solar thermal plants with decentralized feed-in are possible. Thus, it can be shown a possible development for greenhouse gas-free heat generation to the district heating sector.

Following phases and operations are included:

• Testing of decentralized solar heat feed-in into the district heating network of the Stadtwerke Düsseldorf AG with different hydraulic variants.
• Optimization of the hydraulic variants by system simulation.
• Analysis of different feed-in concepts (e.g. return to return feed-in vs. return to supply feed-in) under technical and economic aspects for generalized conditions based on simulations.
• Evaluation of positions for decentralized solar heat feed-in based on measurements in the district heating network of the Stadtwerke Düsseldorf AG.
• Development of recommendations.
• Verification of the feasibility study for the use of solar heat in the district heating network of the Stadtwerke Düsseldorf AG.

The intended overarching results are as follows:

• Improvement of the knowledge base for the planning of solar thermal plants with decentralized feed-in.
• Generation of a verified data basis for the possible development of a compact controller for solar thermal feed-in stations.
• Insertion of the findings into regulatory modules.
• Development of a data basis for the strategy development, how solar thermal energy can contribute to the optimization of the application planning of the existing heat generation units within the district heating network of the Stadtwerke Düsseldorf AG.
• Evaluation of a system technology for the decarbonisation of the district heating sector.