Großwasserwärmespeicher ohne zusätzliche Innenabdichtung? Beton macht es möglich!
Motivation und Forschungsfrage des Projektes
Eine zentrale Schlüsseltechnologie für die Transformation unseres Energiesystems hin zu einem höheren Anteil erneuerbarer – jedoch stark schwankender – Energiequellen sind unterirdische Großwasserwärmespeicher (UGWS). Sie ermöglichen die kurz-, mittel- und langfristige Speicherung von Wärme und kommen sowohl in Fern- und Nahwärmenetzen als auch in industriellen Anwendungen zum Einsatz. Wie Erfahrungen aus Forschungs- und Demonstrationsprojekten zeigen, gehört die wirtschaftliche Herstellung und dauerhafte Funktionssicherheit der Abdichtungsebene – die direkt mit Heißwasser in Kontakt steht – zu den derzeit größten Herausforderungen dieser Technologie. Eine wirtschaftlich tragfähige und breite Umsetzung von UGWS erfordert daher die Entwicklung langlebiger und zugleich kostengünstiger Abdichtungsmaterialien.
Vor diesem Hintergrund verfolgte das Forschungsprojekt „HighCon“ das Ziel, neuartige, heißwasserbeständige Hochleistungsbetonwerkstoffe als dünnschichtige Dichtelemente für den Einsatz in UGWS zu entwickeln. Ergänzend dazu wurden innovative Prüfverfahren für diese Materialien sowie neue Konzepte für bautechnische Ausführungen von Wand-, Boden- und Abdeckkonstruktionen inklusive der erforderlichen Bauverfahren erarbeitet.
Die Ergebnisse kurz zusammengefasst
Im Projekt wurde eine leistungsfähige UHPC-Rezeptur (Ultra High Performance Concrete /Ultrahochfester Beton) für den Einsatz in Heißwasserspeichern entwickelt, welche die teure Edelstahlauskleidung in Heißwasserspeichern ersetzen kann.
Durch den Einsatz spezieller Betonnachbehandlungsverfahren konnte das Porenvolumen in den Probenkörpern erheblich reduziert werden, während die Festigkeit gleichzeitig zunahm. Tatsächlich zeigt die neue Betonmischung eine um den Faktor 5–10 geringere Zementsteinporosität im Vergleich zu herkömmlichem Beton. Diese Eigenschaften sind von höchster Bedeutung für zukünftige Anwendungen in der UGWS-Technologie.
Highlights:
- Thermische Nachbehandlung: Ein zentrales Ergebnis war der Nachweis, dass die thermische Nachbehandlung die Festigkeit und Dauerhaftigkeit von UHPC deutlich verbessert. Dieser Befund stellt einen bedeutenden Fortschritt für den Einsatz des Materials in Heißwasserspeichern dar.
- Mikrostrukturelle Verbesserung: Ein weiterer wichtiger Erfolg war die signifikante Verbesserung der Mikrostruktur, die durch thermische Belastung in Kombination mit der Verfügbarkeit von Wasser zur Bildung stabiler Reaktionsprodukte erzielt wurde. Dies trägt entscheidend zur langfristigen Haltbarkeit des Betons bei.
- Fehlende chemische Wechselwirkungen: Der Nachweis, dass weder schädliche Stofffreisetzungen noch nennenswerte chemische Wechselwirkungen zwischen dem UHPC und dem Speicherwasser auftreten, bestätigt die Eignung des Materials für den Einsatz im Heißwasserspeicherbau.
- Erfolgreiche Umsetzung einer Laborspeicheranlage: Ein weiteres Highlight war die erfolgreiche Umsetzung einer Laborspeicheranlage für Großwärmespeichermaterialien. Diese Anlage ermöglichte praxisnahe Tests und Experimente, um das Verhalten von Materialien unter realistischen Speicherbedingungen zu untersuchen. Dadurch konnte eine noch präzisere Bewertung der Materialeigenschaften und ihrer Langzeitstabilität erreicht werden.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Tests und der neu entwickelten Laborspeicheranlage können weitere Optimierungen an Material und Speicherdesign vorgenommen werden.
Auftraggeber
Austrian Cooperative Research (ACR)