Wärmespeicher

Wärmespeicher im Heizkraftwerk Salzburg Nord

Alperia-Wärmespeicher in Bozen

Wärmespeicher sind Speicher für thermische Energie. Unterschieden wird in Speicher für sensible Wärme, Latentwärmespeicher und Thermochemische Wärmespeicher. Wärmespeicher können in unterschiedliche Größen errichtet werden, die von dezentralen Kleinanlagen bis zu großen zentralen Speichern reichen. Sie sind sowohl als Kurzfrist- wie auch als saisonale Speicher verfügbar und können je nach Bauart Niedertemperaturwärme zur Raumheizung als auch Hochtemperaturwärme für industrielle Anwendungen aufnehmen und wieder abgeben.

Unterscheidungen

Sensible Wärmespeicher

Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre „fühlbare“ Temperatur, z. B. Puffer

Latentwärmespeicher

Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang nicht ihre „fühlbare“ Temperatur, sondern das Wärme-Speichermedium ändert seinen Aggregatzustand. Meistens ist das der Übergang von fest zu flüssig (bzw. umgekehrt). Das Speichermedium kann über seine Latentwärmekapazität hinaus be- oder entladen werden, was erst dann zu einer Temperaturerhöhung führt.

Thermochemische Wärmespeicher oder Sorptionsspeicher

Sie speichern die Wärme mit Hilfe von endo- und exothermen Reaktionen, z.B. mit Silicagel oder Zeolithe.

Außerdem kann noch zwischen offenen, im Erdreich eingebauten sogenannten Aquiferspeichern und den üblichen Behälterkonstruktionen unterschieden werden.

Kennwerte

Nutzungsgrad

Der Nutzungsgrad eines Speichers wird aus dem Verhältnis der gespeicherten nutzbaren Energie und der dem Speicher zugefügten Energie ermittelt. Bei herkömmlichen Wasserspeichern sinkt der Nutzungsgrad mit der Zeit, weil Wärme an die Umgebung abgegeben wird. (Abhängigkeiten: Oberfläche des Speichers, Dämmmaterial und -dicke, Temperaturdifferenz zwischen Speichermedium und Umgebung, siehe auch: Zeitkonstante). Dies gilt nicht oder weniger für thermochemische Wärmespeicher.

Energiespeicherdichte

Die Energiespeicherdichte beschreibt die maximal ladbare Energie (Wärmekapazität) eines Speichers bezogen auf sein Volumen (oder auf seine Masse) unter gegebenen Bedingungen.

Belade- und Entladezeit

Die Zeit, die man benötigt, um eine bestimmte Energiemenge dem Speicher zuzuführen oder zu entnehmen.

maximale Beschickungstemperatur

Die maximale Temperatur des Speichers.

Durchführbare Speicherzyklen

Der Zeitraum zwischen dem Be- und Entladevorgang wird als Speicherperiode bezeichnet. Die Summe aus Beladungs-, Stillstands- und Entladungszeit stellt die Dauer eines Speicherzyklus dar. Finden bei diesem Vorgang irreversible Prozesse statt, die die Speicherkapazität beeinträchtigen, so ist die Anzahl der ausführbaren Speicherzyklen begrenzt. Bei Sorptionsspeichern (Thermochemischer Wärmespeicher) bezieht sich diese Forderung im Wesentlichen auf die Stabilität der Adsorbenzien.

Einsatzbereiche

Solartank (Bildmitte) in einem Sonnenhaus-Komplex bestehend aus 5 Gebäuden mit 16 Wohneinheiten in Bayern. Der solare Deckungsgrad wird mit 65 % angegeben.

Es gibt Langzeit- und Kurzzeitspeicher. Langzeitwärmespeicher können z. B. saisonale Wärmespeicher in der Niedrigenergie-Solarthermie sein. Die wichtigsten Typen sind: Heißwasser-Wärmespeicher (gedämmte Behälter mit Wasser), Kies/Wasser-Wärmespeicher (gedämmte Behälter mit Kies/Wasser-Gemisch), Erdsonden-Wärmespeicher (Boden in bis zu 100 m Tiefe wird erwärmt) und Aquifer-Wärmespeicher (Grundwasser und Erde wird erwärmt – funktioniert nur mit stehendem Grundwasser). Auch thermochemische und die meisten Latent-Wärmespeicher sind als Langzeitspeicher ausgelegt.

Kurzzeitspeicher sind solche, die die Wärme nur für wenige Stunden oder Tage speichern. Hierfür werden vorwiegend selbstständig stehende Wasser-Speicher-Behälter eingesetzt, aber auch thermochemische Wärmespeicher können geeignet sein.

Regeneratoren sind Kurzzeitspeicher, bei denen diskontinuierlich Wärme anfällt, die gespeichert und wieder abgegeben wird. Diese Wärmespeicher werden in Industrien, wo sehr große Abwärmemengen anfallen (z. B. Eisen- oder Stahlindustrie oder Winderhitzer (Gichtgas) an Hochofenanlagen), häufig zur Luftvorwärmung eingesetzt. Regeneratoren in Stirlingmotoren müssen nur wenige Millisekunden lang Wärme zwischenspeichern.

Eine weitere Verwendung von Kurzzeitspeichern sind Speicherheizgeräte, in denen elektrische Energie in Schamottsteinen während der Nacht in Form von Wärme gespeichert wird, um sie am darauf folgenden Tage zur Wohnungsheizung wieder abzugeben. In den 70er Jahren üblich waren asbesthaltige Platten als Material, deren Einsatz inzwischen längst verboten ist und die bei jeglicher Renovierung nur durch entsprechende Fachbetriebe entsorgt werden. Für die einzelnen Geräte ist auch die Handelsbezeichnung „Wärmespeicher“ üblich.

Wasser zur Wärmespeicherung

Als Speichermedium dient in vielen Fällen Wasser, zum Teil in Kombination mit anderen Materialien. Es stellt auch ein hervorragendes Wärmeträgermedium dar, da es über eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität verfügt und durch seine relativ niedrige Viskosität einfach zu handhaben ist. Insbesondere macht es das Einbringen wie auch das Austragen der gespeicherten thermischen Energie gleichermaßen einfach, sodass meist ein und dasselbe technische System dafür genutzt werden kann.

Allerdings muss die maximale Speichertemperatur auf den Siedepunkt (abhängig vom Anlagendruck) begrenzt werden, da sonst die Anlage durch Überdruck beschädigt werden oder es schlimmstenfalls zu einer Explosion kommen kann. Dies wird üblicherweise durch die Regelung der Anlage sichergestellt. Im Notfall sorgen Überdruckventile und Sollbruchstellen für einen kontrollierten Druckabbau.

Typischer Anwendungsbereich ist etwa der Puffer einer Heizungsanlage.

In einem Pilotprojekt soll in der Schweiz bei Bern-Forsthaus ein geologische Wasser-Molasse-Lage in 200–500 m Tiefe angebohrt und als saisonaler Wärmespeicher genutzt werden. Durch vakuumisolierte Durchführung der Rohre des Wärmetauscherkreises soll das darüber getrennt vorliegende Grundwasser vor Erwärmung geschützt werden.

Dampfspeicher (Ruthsspeicher)

Ein Speicherbehälter ist größtenteils (z. B. zu 90 %) mit Siedewasser gefüllt. Der restliche Raum über dem Wasser ist mit Wasserdampf gleicher Temperatur gefüllt. Wird Dampf entnommen, setzt eine Nachverdampfung ein. Die erforderliche Wärme stammt aus dem Siedewasser. Druck und Temperatur sinken ab. Deshalb spricht man von einem Gefällespeicher. Er wurde von dem schwedischen Ingenieur Johannes Ruths (1879–1935) erfunden. Der Arbeitsbereich des Dampfspeichers wird durch die Anfangs- und Endparameter (Druck und Temperatur) sowie dem Anfangsfüllgrad mit Siedewasser definiert. Die entscheidende Speicherkenngröße ist das Verhältnis der entnehmbaren Dampfmenge pro Speichervolumen. Sie kann bei gegebenen Randbedingungen berechnet werden. Ist der minimale Entladedruck erreicht, muss dem Dampfspeicher wieder Wärme zugeführt werden. In der Regel erfolgt dies durch Einleiten von Wasserdampf, wobei der Druck über dem Entnahmedruck zu Beginn der Entspeicherung liegen muss. Typische Anwendungsfälle dienen der Vergleichmäßigung des Dampfverbrauchs, der bei industriellen Prozessen technologisch bedingt, sehr schwanken kann.

Hochtemperaturspeicher (HTS)

Hochtemperaturspeicher zählen zu den Kurzzeitspeichern und bestehen in der Regel aus keramischen, besser noch aus metallischen Verbindungen. Sie zeichnen sich – wie der Name schon sagt – durch eine jeweils hohe Druckfeuerbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und spezifische Wärmekapazität aus. Sie werden zumeist einfach in Heizkessel (Konstanttemperatur-, Niedertemperatur- sowie Dampf- und Heißwasserkessel) eingestellt, ohne dass deren Substanz verletzt wird. Durch die Brennerflamme werden sie aufgeheizt. Schaltet sich der Brenner ab, geben die HTS nun die gespeicherte Wärmeenergie kontinuierlich an das Heizsystem ab. Dadurch lässt sich die wiederholte Zuschaltung des Brenners verzögern. Unter anderem vom Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) werden in Deutschland nun Forschungen vorangetrieben, diese Technologie auch zur Speicherung von Wärmeenergie einzusetzen, die in Kraftwerken erzeugt wird.

Latentwärmespeicher

→ Hauptartikel: Latentwärmespeicher

Bekannter Vertreter eines Latentwärmespeichers: regenerierbare Handwärmer, links im flüssigen und rechts im kristallisierten Zustand

Latentwärmespeicher funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums, wie z. B. des Phasenübergangs fest-flüssig (Schmelzen/Erstarren).

Die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig ist dabei das am häufigsten genutzte Prinzip. Beim Aufladen des Inhalts kommerzieller Latentwärmespeicher werden meist spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium geschmolzen, die dazu sehr viel Wärmeenergie, die Schmelzwärme, aufnehmen. Da dieser Vorgang reversibel ist, gibt das Speichermedium genau diese Wärmemenge beim Erstarren wieder ab.

Der Einsatz von Latentwärmespeichern zur langfristigen Solarwärmespeicherung der Heizenergie für den Winter ist mit höheren Anschaffungsinvestitionen verbunden; jedoch ist er platzsparender und wegen der Ausnutzung der Latentwärme gleichmäßiger als die Nutzung von Wassertanks oder Kies. Hart-Paraffine schmelzen bei etwa 60 °C, die Schmelzwärme liegt mit 200–240 kJ/kg um etwa ein Drittel niedriger als die Schmelzwärme von Wasser und die Wärmekapazität ist mit etwa 2,1 kJ/(kg·K) halb so groß wie die von Wasser. Hinzu kommt der Vorteil, dass 2/3 der Wärme dauerhaft über Monate hinweg im Phasenübergang gespeichert bleibt. Bei der Konstruktion eines Paraffin-Speichers muss berücksichtigt werden, dass sich sein Volumen beim Übergang von flüssig zu fest um etwa 30 % vermindert.

Die wohl bekannteste Anwendung des Latentwärmespeicher-Prinzips ist das regenerierbare Handwärmkissen im Taschenformat auf Basis einer übersättigten Natriumacetat-Trihydrat-Lösung.

Thermochemische Speicherung

→ Hauptartikel: Thermochemischer Wärmespeicher

Thermochemische Wärmespeicher nutzen den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen: Durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder freigesetzt. Thermochemische Wärmespeicher ermöglichen im Unterschied zu Puffer- und Latentwärmespeichern die nahezu verlustfreie Speicherung größerer Wärmemengen über längere Zeiträume. Daher eignen sie sich z. B. als Saisonspeicher für solarthermische Anwendungen in Regionen mit hohen jahreszeitlichen Temperaturunterschieden. Für die erfolgreiche Demonstration des Einsatzes eines thermochemischen Sorptionswärmespeichers im Rahmen eines solarthermisch beheizten Passivhauses gewann das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme bereits im Jahr 1999 den Innovationspreis der Länder Berlin-Brandenburg.

Thermochemische Speicher wurden bereits im 19. Jahrhundert in technischen Anwendungen erprobt. Einer der ersten bekannten Anwendungsfälle der Technologie war die 1883 in Betrieb genommene Natronlokomotive. Thermochemische Wärmespeicher gibt es heute in vielen Varianten; die vielleicht bekannteste ist das selbstkühlende Bierfass. Die Wärmekapazität beträgt je nach Ausprägung der Technologie bis zu 300 kWh/m³ und liegt somit etwa um Faktor fünf über der Wärmekapazität von Wasser.

Weitere Anwendungen

• elektrische Speicherheizung
• Warmwasser
• Fernwärmespeicher
• Dampfspeicherlokomotive

Berechnungsbeispiel

• Für einen Wasserspeicher: siehe Wärmewiderstand

Weblinks

• Latentwärmespeicher in Gebäuden (BINE Informationsdienst)
• Gütegemeinschaft Phase Change Material (PCM) e. V.
• Simulationsmodell für einen Feststoffwärmespeicher mit downloadbarem Rechenprogramm
• Wie groß dürfen Solarspeicher sein? (PDF; 262 kB)

Literatur

• N. Fisch u. a.: Wärmespeicher, hrsg. vom Fachinformationszentrum Karlsruhe, BINE Informationsdienst, 4., überarbeitete Aufl. 2005, DIN A5, kartoniert, 120 Seiten, TÜV Verlag 2005, ISBN 3-8249-0853-0.
• Andreas Hauer, Stefan Hiebler, Manfred Reuß: Wärmespeicher. 5. vollständig überarbeitete Auflage, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-8366-4 (Grundlagen verschiedene Speichertechnologien, Speichermedien, Wirtschaftlichkeit)
• Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Berlin Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-48893-5.