Hauptmenü öffnen

Wärmespeicher

Speicher für thermische Energie
Wärmespeicher im Heizkraftwerk Salzburg Nord
Alperia-Wärmespeicher in Bozen

Wärmespeicher sind Speicher für thermische Energie (Energiespeicher). 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.[1] Neben der Speicherung von thermischer Energie ist das wichtigste Ziel der Wärmespeicher die Entstehung und Nutzung der Wärme zeitlich zu entkoppeln.

Inhaltsverzeichnis

Arten von WärmespeichernBearbeiten

Sensible Wärmespeicher
Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre „fühlbare“ Temperatur, z. B. Puffer. Die Wärmekapazität ist mit der wichtigste Parameter sensibler Speichermaterialien. Da dieser Typus keinerlei Phasenumwandlungen durchläuft, kann er über einen breiten Temperaturbereich, insbesondere im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden.
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.
Thermochemischer 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.

EigenschaftenBearbeiten

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.

EinsatzbereicheBearbeiten

 
Solartank (Bildmitte) in einem Sonnenhaus-Komplex bestehend aus 5 Gebäuden mit 16 Wohneinheiten in Bayern. Der solare Deckungsgrad wird mit 65 % angegeben.[2]

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 Latentwärmespeicher 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.

Kurzzeitspeicher, auch Verschiebespeicher genannt, werden ebenfalls im Bereich industrieller Solarthermie[3] eingesetzt. Sie puffern Sonnenenergie über einige Stunden, sodass auch während der Nacht Wärme für Warmwasser oder Heizzwecke zur Verfügung steht oder in solarthermischen Kraftwerken Strom rund um die Uhr produziert werden kann.

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. In einem großtechnischen Versuch wird das Prinzip, Wärme in Steinen zu speichern, ebenfalls genutzt. Mit überschüssigem Strom werden gigantische, gut isolierte Steinhaufen über ein Heizgebläse auf 600 Grad erwärmt und so überschüssige Energie in Form von Hitze gespeichert. Bei Strombedarf saugen Lüfter die heiße Luft aus dem Speicher und leiten sie in eine Dampfturbine, die wiederum einen Generator antreibt.[4] Ähnliche Systeme, die mit heißem Gas (auch Abgasen) beladen werden können, sind auch als mobile Wärmespeicher[5] gebaut. Somit ist nicht nur die zeitliche Entkopplung der Wärmeenstehung und Nutzung gegeben, sondern auch die räumliche Entkopplung. Auf diese Weise lassen sich Wärmeüberschüsse, wie sie in der Stahlindustrie, keramischen Industrie oder Glasindustrie zu finden sind, einer weiteren externen Nutzung zuführen.

Neben der Unterscheidung über die Speicherdauer sind auch oft Angaben über den Temperaturbereich zu finden. Bis 2016 wurde zwischen Niedertemperaturspeichern (<120 °C) und Hochtemperaturspeichern (>120 °C) unterschieden. Seit 2016 wurde dieser Bereich um Mitteltemperaturspeicher erweitert. Diese werden von 120–500 °C eingesetzt, wohingegen Hochtemperaturspeicher der Bereich >500 °C zugewiesen wurde.

Wasser zur WärmespeicherungBearbeiten

Wasser ist ein hervorragendes Wärmeträgermedium, da es über eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität verfügt und aufgrund niedriger Viskosität und toxikologischer Unbedenklichkeit einfach zu handhaben ist. Eintrag und Entnahme der thermischen Energie ist unkompliziert.

Die maximale Speichertemperatur wird üblicherweise durch die Regelung der Anlage auf den Siedepunkt begrenzt (der abhängig vom Anlagendruck ist). Ein überhitzter Wasserspeicher wird auch Dampfspeicher genannt. Überdruckventile oder Sollbruchstellen sorgen für einen kontrollierten Druckabbau bevor die Gefahr einer Explosion besteht.

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.[6]

Dampfspeicher (Ruthsspeicher)Bearbeiten

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.[7] 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)Bearbeiten

Hochtemperaturspeicher zählen zu den Kurzzeitspeichern und bestehen in der Regel aus keramischen, besser noch aus metallischen Verbindungen. Sie zeichnen sich 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.[8]

LatentwärmespeicherBearbeiten

 
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. Darüber hinaus können auch metallische Speichermedien, sogenannte metallische Phasenwechselmaterialien (englisch metallic Phase Change Materials, mPCM) verwendet werden. Diese zeichnen sich durch eine besonders hohe Energiedichte aufgrund einer hohen maximalen Speichertemperatur und durch eine hohe thermische Leistung aufgrund einer guten Wärmeleitfähigkeit aus.

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.[9] 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. Ein Anwendungsbereich, der sich aktuell neu eröffnet, ist die Integration von Latentwärmespeichern auf Basis von metallischen Phasenwechselmaterialien (mPCM) in batterieelektrischen Fahrzeugen. Der Mehrwert im Elektroauto entsteht dabei maßgeblich bei kalten Außentemperaturen. Hier kann die notwendige Heizleistung zur Temperierung der Fahrgastzelle durch den thermischen Speicher anstatt durch die Traktionsbatterie bereitgestellt werden, was notwendige Batteriekapazitäten reduzieren könnte bzw. die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter erhöhen würde. [10]

Thermochemische SpeicherungBearbeiten

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.[11]

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, bis hin zum selbstkühlenden Bierfass. Die Wärmekapazität beträgt je nach Ausprägung der Technologie bis zu 300 kWh/m³ und liegt somit etwa um Faktor fünf über der von Wasser.

Weitere AnwendungenBearbeiten

BerechnungsbeispielBearbeiten

WeblinksBearbeiten

LiteraturBearbeiten

  • 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.
  • Innovative Wärmespeicher-Lösungen als wichtige Bausteine für die Energiewende. In: Heizung Lüftung/Klima Haustechnik (HLH) Bd. 66, Nr. 2/2015, S. 50–54
  • Optimierte Speicherkonstruktionen. In: Heizung Lüftung/Klima Haustechnik (HLH) Bd. 65, Nr. 2/2014, S. 64–69

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Vgl. Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin - Heidelberg 2014, S. 535f.
  2. Warmes Wasser aus dem Sonnentank. In: Main-Netz, 5. Juli 2013. Abgerufen am 10. Mai 2014.
  3. Welt der Physik: Welt der Physik: Technik der solarthermischen Kraftwerke. Abgerufen am 13. April 2018 (englisch).
  4. Daniel Hautmann: Erneuerbare Energien: Siemens leitet die neue Steinzeit ein - Golem.de. 15. November 2017 (golem.de [abgerufen am 29. Januar 2018]).
  5. Wärme im Container | Forum - Das Wochenmagazin. Abgerufen am 13. April 2018.
  6. Pilotprojekt «Geospeicher»: ewb beantragt Bohrbewilligung ee-news.ch, 11. November 2017.– Machbarkeitsstudie beabsichtigt, 2 ähnliche Projekte im Ausland.
  7. Bernd Glück: Feststoffwärmespeicher + Dampfgefällespeicher
  8. RWE Power startet Entwicklung von Hochtemperatur-Wärmespeicher für GuD-Kraftwerke. In: finanzen.net. 20. März 2009 (finanzen.net [abgerufen am 29. Januar 2018]).
  9. Jens Langer: Heating- or sanitary hot water accumulator having at least two heat sources. EP1798486, 29. August 2012 (freepatentsonline.com [abgerufen am 29. Januar 2018]).
  10. Erhöhte Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter. In: Website des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Abgerufen am 17. Mai 2018.
  11. http://www.ise.fraunhofer.de/geschaeftsfelder-und-marktbereiche/solarthermie/thermische-solaranlagen/projekte/saisonaler-sorptionsspeicher@1@2Vorlage:Toter Link/www.ise.fraunhofer.de (Seite nicht mehr abrufbar, Suche in Webarchiven  Info: Der Link wurde automatisch als defekt markiert. Bitte prüfe den Link gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.