Wärmespeicher

Wärmespeicher im Heizkraftwerk Salzburg Nord

Alperia-Wärmespeicher in Bozen

Wärmespeicher sind Speicher für thermische Energie (Energiespeicher). Unterschieden werden Speicher für sensible Wärme, Latentwärmespeicher und thermochemische Wärmespeicher. Wärmespeicher können in unterschiedlichen Größen errichtet werden, die von dezentralen Kleinanlagen bis zu großen zentralen Speichern reichen. Sie sind sowohl als kurzfristige wie auch als saisonale Speicher verfügbar und können je nach Bauart Niedertemperaturwärme zur Raumheizung oder Hochtemperaturwärme für industrielle Anwendungen aufnehmen und wieder abgeben.^[1] Neben der Speicherung von thermischer Energie besteht das wichtigste Ziel bei Wärmespeichern darin, die Entstehung und die Nutzung von Wärme zeitlich zu entkoppeln.

Arten von Wärmespeichern

Sensible Wärmespeicher Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre „fühlbare“ Temperatur, z. B. Puffer. Die Wärmekapazität ist mit der wichtigste Parameter bei sensiblen Speichermaterialien. Da dieser Typus keine 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 Wärmespeichermedium ändert seinen Aggregatzustand. Meist 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 oder -verringerung führt. Thermochemischer Wärmespeicher oder Sorptionsspeicher Sie speichern die Wärme mit Hilfe von endo– und exothermen Reaktionen, z. B. mit Silicagel oder Zeolithen.

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

Eigenschaften

Nutzungsgrad Der Nutzungsgrad eines Speichers wird aus dem Verhältnis der gespeicherten nutzbaren Energie und der dem Speicher zugeführten 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 in geringerem Ausmaß für thermochemische Wärmespeicher. Energiespeicherdichte Die Energiespeicherdichte beschreibt die bezogen auf sein Volumen (oder auf seine Masse) unter gegebenen Bedingungen maximal in einen Speicher ladbare Energie (Wärmekapazität). Belade- und Entladezeit Die Zeit, die man benötigt, um dem Speicher eine bestimmte Energiemenge 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.^[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 bei 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 Industriezweigen, 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 rund um die Uhr Strom produziert werden kann.

Eine weitere Verwendung von Kurzzeitspeichern sind Speicherheizgeräte, in denen elektrische Energie während der Nacht in Form von Wärme in Schamottsteinen gespeichert wird, die am darauffolgenden Tage zum Heizen der Wohnung wieder abgegeben wird. In den 70er Jahren waren asbesthaltige Platten als Material üblich, deren Einsatz inzwischen jedoch längst verboten ist und die bei Renovierung nur durch entsprechende Fachbetriebe entsorgt werden dürfen. 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, so dass überschüssige Energie in Form von Hitze gespeichert wird. Bei Strombedarf saugen Lüfter die heiße Luft aus dem Speicher und leiten sie in eine Dampfturbine, die wiederum einen Generator antreibt.^[4] 2019 wurde ein elektrothermischer Energiespeicher in Hamburg mit 1000 t Gestein, 750 °C und 130 MWh Speicherkapazität in Betrieb genommen.^[5] Ähnliche Systeme, die mit heißem Gas (auch Abgasen) beladen werden können, sind auch als mobile Wärmespeicher^[6] gebaut. Somit ist nicht nur die zeitliche Entkopplung von Wärmeentstehung und Nutzung gegeben, sondern auch die räumliche Entkopplung. Auf diese Weise lassen sich Wärmeüberschüsse aus der Stahlindustrie, keramischen Industrie oder Glasindustrie einer weiteren, externen Nutzung zuführen.

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

Wasser zur Wärmespeicherung

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 sind unkompliziert und es ist billig.

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

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 vakuumisoliertes Durchführen der Rohre des Wärmetauscherkreises soll das darüber getrennt vorliegende Grundwasser vor Erwärmung geschützt werden.^[7]

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 den Anfangsfüllgrad mit Siedewasser definiert. Die entscheidende Speicherkenngröße ist das Verhältnis der entnehmbaren Dampfmenge pro Speichervolumen. Sie kann bei gegebenen Randbedingungen berechnet werden.^[8] 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)

→ Hauptartikel: Hochtemperaturwärmespeicher

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 Forschungsbemühungen vorangetrieben, diese Technologie auch zur Speicherung von Wärmeenergie einzusetzen, die in Kraftwerken erzeugt wird.^[9]

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

Der Einsatz von Latentwärmespeichern zur langfristigen Solarwärmespeicherung der Heizenergie für den Winter ist mit höheren Anschaffungsinvestitionen verbunden, er ist jedoch 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.^[10] Hinzu kommt der Vorteil, dass zwei Drittel der Wärme dauerhaft über Monate hinweg im Phasenübergang gespeichert bleiben. Bei der Konstruktion eines Paraffin-Speichers muss berücksichtigt werden, dass sich sein Volumen beim Übergang von flüssig zu fest um etwa 30 % verringert.

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 batterieelektrische Fahrzeuge. Der Mehrwert im Elektroauto entsteht dabei maßgeblich bei kalten Außentemperaturen. Hier kann die notwendige Heizleistung zur Temperierung der Fahrgastzelle vom thermischen Speicher statt der Traktionsbatterie bereitgestellt werden, was notwendige Batteriekapazitäten reduzieren könnte bzw. die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter erhöhen würde.^[11]

Thermochemische Speicherung

→ Hauptartikel: Thermochemischer Wärmespeicher

Thermochemische Wärmespeicher nutzen den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen: Durch Wärmezufuhr verändert das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung, und 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.^[12]

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 den Faktor fünf über der von Wasser.

Weitere Anwendungen

• elektrische Speicherheizung
• Warmwasser
• Fernwärmespeicher
• Dampfspeicherlokomotive
• mobile Wärmespeicher

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)

Quelle: Seite „Wärmespeicher“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 11. April 2021, 01:15 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=W%C3%A4rmespeicher&oldid=210804128 (Abgerufen: 18. August 2021, 15:01 UTC)

Saisonalspeicher

Ein Saisonalspeicher bzw. saisonaler Wärmespeicher oder Jahreszeitspeicher (englisch seasonal thermal energy storage (STES)^[1]) ist ein Langzeitspeicher thermischer Energie einer saisonalen Wärmespeicherheizung, oft für eine Solaranlage. Damit kann der Anteil von regenerativer Energie signifikant erhöht werden.

Allgemeines

Saisonale Wärmespeicher sind so groß, dass sie Wärme aus der warmen Jahreszeit speichern können und damit gut isolierte Häuser in der kalten Jahreszeit weitgehend oder sogar vollständig mit gespeicherter Energie beheizen oder eventuell auch kühlen können. Meist wird ein solarer Energieüberschuss vom Sommer im Winter zu Heizzwecken verwendet und so können mehrere Wochen bis Monate je nach Witterungsbedingungen und Ladezustand überbrückt werden.^[2] Bei zu Heizzwecken verwendeten Speichern erfolgt die Beladung bei sonnigem Wetter und während des Sommers, die Entladung bei Schlechtwetter und zur kalten Jahreszeit. Sie werden in Zukunft eine bedeutende Rolle in der solaren Infrastruktur einnehmen.^[1]

Es gibt saisonale Speicher verschiedener Größe, die einzelne Häuser, Häusergruppen oder ganze Siedlungen über ein Nahwärme– beziehungsweise Fernwärmenetz versorgen. Die spezifischen Kosten je MWh Speicherkapazität sind umso geringer, je größer der Speicher ist, weshalb große Systeme bereits Wärme zu wettbewerbsfähigen Preisen um 5 c/kWh liefern können^[3][4]. Die Investitionen in Wärmeisolierung der Häuser, Wärmeerzeugung – etwa durch Sonnenkollektoren, oder durch Wärmepumpen, die mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden – und Speichergröße müssen aufeinander abgestimmt werden, um die geringsten Gesamtkosten zu erzielen.

Speichertypen

Verschiedene Speichertypen:^[5][6]

• Behälter-Wärmespeicher
• Erdbecken-Wärmespeicher, zum Beispiel als Kies/Wasser-Wärmespeicher
• Erdsonden-Wärmespeicher, bis zu 100 Meter tief
• Aquifer-Wärmespeicher

Behälter-Wärmespeicher

Der gängigste Typ für Ein- und Mehrfamilienhäuser sind Warmwassertanks als Schichtladespeicher, diese Technik kommt oft bei sogenannten Sonnenhäusern zum Einsatz. In Verbindung mit einer großen Sonnenkollektorenfläche können damit hohe solare Deckungsgrade erreicht werden. Diese Wassertanks können wegen ihrer Größe nur in Neubauten eingebaut werden, oder es werden Erdtanks außerhalb von Gebäuden verwendet. In kälteren Klimazonen haben Speicher innerhalb der Gebäudehülle den Vorteil, dass alle Wärmeverluste des Speichers dem Gebäude zugutekommen. Die Verluste lassen sich über den Wärmewiderstand des Speichers berechnen. Je nach Hausgröße, Rahmenbedingungen und Ziel haben die Speicher in Einfamilienhäusern etwa 10 bis 50 Kubikmeter^[7] und sind mit einer 20 bis 40 cm dicken Wärmedämmung isoliert. Wenn ein Gebäude eine größere Treppenanlage erhalten soll, kann der Langzeitspeicher oft ohne großen Flächenverlust im Treppenaufgang integriert werden. Verhältnis von Volumen zu Oberfläche

Allgemein gilt für Körper (A/V-Verhältnis): Wenn man die Kantenlänge eines Quaders verdoppelt, vervierfacht sich seine Fläche (allgemeinsprachlich: Oberfläche; also die Grenzfläche zwischen kalt und warm); sein Volumen aber verachtfacht sich. Große Körper haben deshalb eine (für Wärmespeicherung) günstigere Relation von Volumen zu Oberfläche:

V 1 = a × b × c {\displaystyle V_{1}=a\times b\times c} (beim Würfel = a × a × a {\displaystyle a\times a\times a} )

A 1 = 2 × a × b + 2 × b × c + 2 × a × c {\displaystyle A_{1}=2\times a\times b+2\times b\times c+2\times a\times c} (Würfel: A = 6 × a × a {\displaystyle A=6\times a\times a} )

V 2 = 2 a × 2 b × 2 c = 2 × 2 × 2 × a × b × c = 8 × a × b × c {\displaystyle V_{2}=2a\times 2b\times 2c=2\times 2\times 2\times a\times b\times c=8\times a\times b\times c}

Das gilt auch für Zylinder: Wenn man seinen Durchmesser und seine Höhe verdoppelt, verachtfacht sich sein Volumen. Auch wenn man den Durchmesser einer Kugel verdoppelt, verachtfacht sich ihr Volumen. Eine Kugel hat das größte Verhältnis von Volumen zu Oberfläche aller geometrischen Körper.

Erdbecken-Wärmespeicher

Diese gibt es auch ohne nennenswerte Dämmung zum Untergrund, nur mit einer stabilen Folie abgedichtet. Entweder oben mit einer mehrstufigen schwimmenden Isolierung, wobei Regenwasser abgepumpt wird oder er ist allseits mit Beton ummantelt. Die Beckenform kann ein umgekehrter Kegelstumpf, Pyramidenstumpf oder quaderförmig sein.^[8] Dieser eher größere Speichertyp kann je nach Größe komplette Solarsiedlungen mit Wärme versorgen. Sie werden entweder als Wasserspeicher oder als Kies-Wasserspeicher gebaut. Der Kies-Wasserspeicher hat bei gleichen Ausmaßen eine geringere Speicherkapazität, im Gegensatz zu reinen Wasserspeichern, weil Wasser eine höhere Wärmespeicherkapazität hat als Kies. Der Temperaturaustausch erfolgt über integrierte Brunnensysteme bzw. indirekt über Wärmetauscher.

Erdsonden-Wärmespeicher

Siehe auch: Geothermie#Saisonale Wärmespeicher

Dabei wird über Bohrlöcher der Untergrund, wie Gesteinsschichten oder Erdreich erwärmt. Die Wärme kann je nach Bedarf über die Bohrlöcher mithilfe einer Wärmepumpe wieder zurückgewonnen werden. Die Bohrungen sind entweder senkrecht oder verlaufen schräg in die Tiefe. Nicht jeder Untergrund ist gleich gut dafür geeignet und es gibt auch völlig ungeeignete lokale Gegebenheiten.

Aquifer-Wärmespeicher

Unter günstigen hydrogeologischen Standortbedingungen kann ein sogenannter Aquifer, also ein Grundwasserleiter zur Wärmespeicherung genutzt werden. Hierfür werden manchmal zwei Brunnen verwendet, die je nach Jahreszeit entweder Wärme oder Kälte liefern bzw. speichern. Diese beiden Brunnen sind dabei in einem bestimmten Abstand versetzt angeordnet.

Weitere Typen

Alternativ kann man ein massives Fundament durch thermische Bauteilaktivierung als Speichermasse nutzen. Diese wird auf etwa 30 °C erwärmt.

Saisonaler Ausgleich im Stromnetz

Um einen Ausgleich im Falle einer sogenannten Dunkelflaute im Stromnetz zu schaffen, wäre es möglich, einen im Sommer regenerativ generierten Energieüberschuss, durch Power-to-Gas in Wasserstoff umzuwandeln und zu speichern. Dieser Vorrat könnte dann in der kälteren Jahreshälfte als Energiespeicher für viele Zwecke dienen, dafür nötig wäre ein Ausbau der Wasserstoffwirtschaft und ein Ausbau der Sektorenkopplung zur verbesserten, enger vernetzen Umwandlung der Energie zwischen Bereichen Stromnetz, Haushalten, Mobilität und Industrie. Kurzfristige Schwankungen können hingegen mit Batterie-Speicherkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken ausgeglichen werden.

Den Power-to-Gas Ansatz zur saisonalen Speicherung, in Verbindung mit Photovoltaik gibt es auch schon zur Gebäudeheizung. Dabei werden Überschüsse aus der warmen Jahreszeit, mithilfe einer Brennstoffzelle im Winter verwertet.

Literatur

• Speichervorgänge im Umfeld vertikaler Erdsonden von Wärmepumpen. In: Heizung Lüftung/Klima Haustechnik (HLH) Nr. 1/2015, S. 19–23
• Kapitel 8.3. Saisonale Wärmespeicher. In: Solare Wärme für große Gebäude und Wohnsiedlungen, Fraunhofer IRB, Stuttgart, ISBN 978-3-8167-8752-5, S. 93–94
• Kapitel 13.2.1.3. Saisonale Wärmespeicher für große Solaranlagen. In: M. Sterner, I. Stadler (Hrsg.): Energiespeicher – Bedarf, Technologie, Integration, 2. Auflage 2017, ISBN 978-3-662-48892-8, S. 740–744; in erster Auflage des Buches auf S. 677–680
• Silke Köhler, Frank Kabus, Ernst Huenges: Wärme auf Abruf: Saisonale Speicherung thermischer Energie. In: T. Bührke, R. Wengenmayr (Hrsg.): Erneuerbare Energie: Konzepte für die Energiewende, 3. Auflage, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN 978-3-527-41108-5, S. 133–139
• Jens-Peter Meyer: Saisonale Speicher: Vorrang für die Sonne. In: Sonne Wind & Wärme Nr. 4/2018, S. 69–71
• M. Schmuck: Wirtschaftliche Umsetzbarkeit saisonaler Wärmespeicher, expert Verlag, 2017, ISBN 978-3-8169-3398-4
• H. Weik: Expert Praxislexikon: Sonnenenergie und solare Techniken, 2. überarbeitete Auflage von 2006, expert Verlag, ISBN 978-3-8169-2538-5:
  • Aquifer-Speicher, S. 16
  • Erdbeckenwärmespeicher, S. 98
  • Langzeitspeicher, S. 175–176
• TZS: Saisonale Wärmespeicher. In: Solare Wärme: Das Solarthermie-Jahrbuch 2019, Herausgeber: Solar Promotion GmbH, vom 27. Februar 2019, S. 112

Weblinks

• http://www.sonnenhaus-institut.de/
• Solarthermie Technologie: Großspeichersysteme
• PDF bei www.fvee.de
• Innovative Ansätze beim Langzeitwärmespeicher

Quelle: Seite „Saisonalspeicher“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 3. August 2021, 21:06 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Saisonalspeicher&oldid=214475123 (Abgerufen: 18. August 2021, 15:10 UTC)

Latentwärmespeicher

Zwei regenerierbare Handwärmer; links im flüssigen und rechts im kristallisierten Zustand Mediendatei abspielen Ein Video eines „Taschenwärmers“ in Aktion

Ein Latentwärmespeicher (auch Phasenwechsel- oder PCM-Speicher) ist ein spezieller Typ von Wärmespeicher, der einen Großteil der ihm zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme (z. Bsp. für einen Phasenwechsel von fest zu flüssig) speichert. Die gespeicherte Wärme ist verborgen (lateinisch latere, „verborgen sein“), da, solange die Phasenumwandlung nicht ganz abgeschlossen ist, die Temperatur eines Stoffes trotz Wärmezufuhr nicht weiter ansteigt. Latentwärmespeicher können daher in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel sehr große Wärmemengen speichern und übertreffen dabei Wärmespeicher, die nur die sensible Wärme eines Stoffes nutzen, wie etwa Heißwasserspeicher.

Da viele Stoffe mit unterschiedlichsten Schmelzpunkten als Phasenwechselmaterial (engl. phase change material, PCM) in Frage kommen, können viele Speicheranwendungen vom Kälte- bis zum Hochtemperaturwärmespeicher mit dieser Technik abgedeckt werden. Die bekanntesten kommerziellen Anwendungen sind derzeit aber noch Kühlakkus und Wärmekissen.

Funktionsprinzipien

Aggregatzustandübergänge eines Latentwärmespeichers

Latentwärmespeicher funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig und umgekehrt (Erstarren–Schmelzen).

Beim Aufladen des Inhalts kommerzieller Latentwärmespeicher werden meist spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium geschmolzen, die dabei sehr viel Energie (Schmelzwärme) aufnehmen, wie z. B. Dikaliumhydrogenphosphat–Hexahydrat. Das Entladen findet beim Erstarren statt, wobei das Speichermedium die zuvor aufgenommene große Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt.

Für technische Anwendungen als Latentwärmespeicher ist eine Unterkühlung der Schmelze in der Regel unerwünscht. Daher müssen dem Material geeignete Keimbildner zugesetzt werden, die eine Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur bewirken.

Wärmekissen

In Wärmekissen wird häufig Natriumacetat–Trihydrat verwendet.^[1] Es wird bei einer Schmelztemperatur von 58 °C verflüssigt, was meistens durch das Einlegen der Wärmekissen in kochendes Wasser erreicht wird. Beim Erhitzen muss das Kissen andauernd vollständig von Wasser bedeckt sein (Wasserbad), weil sonst lokal besonders heiß werdendes Salz den Beutel schmelzen lässt. Das Material bleibt auch noch bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes – unter Umständen bis −20 °C – als unterkühlte Schmelze in einem metastabilen Zustand flüssig, da das Salz sich in seinem Kristallwasser löst; die Wassermoleküle bilden eine Art eigenes Kristallgitter, das sich zuerst auflöst. Wird nun ein Metallplättchen (ähnlich dem in einem Knackfrosch) im Wärmekissen gedrückt, löst das die Kristallisation aus. Das Kissen erwärmt sich dabei wieder auf die Schmelztemperatur, wobei die vollständige Kristallisation und damit die Freigabe der latenten Wärme sich über eine längere Zeit erstrecken kann.

Als Auslöser für die Kristallisation der übersättigten Lösung kommen in Frage:

• die Druckwelle, die durch das Drücken des Metallplättchens ausgelöst wird,
• die dabei verursachte Freisetzung mikroskopisch kleiner Kristallisationskeime, die sich bei jeder Kristallisation in kleinen Ritzen des Metalls festsetzen.^[2]

Ein Problem der Erklärung durch die Druckwelle ist, dass die Kristallisation im Experiment durch Schallwellen, selbst durch Ultraschall, nicht ausgelöst wird.^[3]

Andere Salzhydrate können ebenfalls verwendet werden, z. B. Glaubersalz mit einem Schmelzpunkt von 32,5 °C oder Alaun.

Merkmale

Der Vorteil dieser Wärmespeichertechnik beruht darauf, in einem kleinen, durch die Schmelztemperatur des eingesetzten Speichermaterials festgelegten Temperaturbereich, viel Wärmeenergie in relativ wenig Masse zu speichern. Beim bloßen Erwärmen des Mediums wird dagegen ein größerer Temperaturbereich benötigt, um vergleichbare Wärmemengen zu speichern.

Beim Wärmekissen wird zusätzlich der metastabile Zustand der unterkühlten Lösung genutzt. So kann die Wärme ohne thermische Isolierung und Verluste gespeichert werden.

Beispiele

Wasser

So wird beispielsweise beim Erstarren bzw. Gefrieren von Wasser – dem Phasenübergang vom flüssigen Wasser zum festen Eis bei 0 °C – ungefähr so viel Wärme frei, wie zum Erwärmen derselben Menge Wasser von 0 °C auf 80 °C benötigt wird. Die spezifische Phasenumwandlungsenthalpie ist also im Vergleich zur spezifischen Wärmekapazität relativ hoch (für Wasser: Schmelzenthalpie 334 kJ/kg, spezifische Wärmekapazität ca. 4,19 kJ/(kg·K)), wodurch die Energiedichte erheblich größer ist als bei Warmwasserspeichern. In Kombination mit einer Wärmepumpe ermöglicht ein Wasser-Latentwärmespeicher die Bereitstellung von Wärme zum Verdampfen des Kältemittels, insbesondere während der Heizperiode.

Paraffin

Die nutzbare Wärmemenge hängt von der maximalen und minimalen nutzbaren Arbeitstemperatur ab. Sie besteht aus zwei Komponenten:

• der spezifischen Wärme, multipliziert mit der Temperaturdifferenz
• der Wärmemenge, die bei Phasenübergängen im nutzbaren Temperaturbereich frei wird.

Wasser ist mit einer Schmelztemperatur von 0 °C ungeeignet, weil diese nicht im Arbeitsbereich liegt.

Daher ist man auf Stoffe mit Schmelztemperaturen zwischen 40 °C und 70 °C und mit hoher Schmelzwärme angewiesen. Daher ist Hartparaffin mit einer Schmelztemperatur von etwa 60 °C und einer Schmelzenthalpie zwischen etwa 200 und 240 kJ/kg (Wasser: 333 kJ/kg) gut geeignet. Die Wärmeerzeugung beim Erstarren ist etwa ein Drittel geringer als die von Wasser, dafür liegt sie aber im Nutzbereich.

Metalle

Die latente Wärmespeicherung auf Hochtemperatur-Niveau kann beispielsweise in Metallen realisiert werden. Ein Beispiel für ein metallisches Phasenwechselmaterial (englisch metallic Phase Change Material, mPCM) ist eine Aluminium-Silicium-Legierung mit einer Schmelztemperatur von 577 °C. Da der Bereich der nutzbaren Arbeitstemperatur bei der Hochtemperatur-Speicherung größer ist, kann mehr thermische Energie im sensiblen Bereich gespeichert werden. Aber auch die spezifische Schmelzenthalpie ist bei diesem Material mit hoher Schmelztemperatur größer als bei Wasser oder Paraffinen (Aluminium-Silicium: 560 kJ/kg).

Chemische Wärmespeicher

Einem ähnlichen Prinzip folgt die Ausnutzung der Enthalpie reversibler chemischer Reaktionen, so zum Beispiel von auf Chemisorption beruhenden Absorptions– und Desorptionsprozessen. Das geschieht in sogenannten thermochemischen Wärmespeichern, die eine noch höhere Energiedichte ermöglichen.

Anwendungen

Moderne Latentwärmespeichermaterialien auf Salz- oder Paraffinbasis haben für verschiedene Anwendungen entwickelte physikalische Eigenschaften und sind für nahezu alle Temperaturbereiche erhältlich. Sie finden Einsatz in Warmhalteplatten für die Gastronomie oder auch in der Heizungs– und Baustoffindustrie als wärmepuffernde Baustoffe.

Auch in der Fahrzeugtechnik kommen Latentwärmespeicher auf Salz- oder Paraffinbasis zum Einsatz, um beispielsweise überschüssige Motorwärme zu speichern und diese beim Kaltstart freizusetzen. Aktuell werden darüber hinaus Speichersysteme auf Basis von metallischen Phasenwechselmaterialien (mPCM) für die Anwendung in Elektrofahrzeugen entwickelt. Speichersysteme mit hohen Energiedichten bei gleichzeitig herausragendem thermischem Leistungspotential sollen zukünftig die Heizleistung in Elektrofahrzeugen übernehmen. Hierdurch müsste die zum Heizen benötigte Energie nicht aus der Traktionsbatterie entnommen werden, was notwendige Batteriekapazitäten reduzieren könnte bzw. die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter erhöhen würde.^[4]

Phase change materials (PCM) finden zudem Anwendung in Funktionstextilien. Diese können dadurch die Körper- oder Umgebungswärme aufnehmen, speichern und wieder abgeben. Damit ermöglichen sie das Abpuffern der Temperatur eines „Wohlfühlbereiches“ nach unten wie oben.

Bei Einsatz von Latentwärmespeichern zur Solarwärmespeicherung der Heizenergie für den Winter sind die Investitionen zwar höher, das System spart gegenüber der Nutzung von Wassertanks oder Kies jedoch deutlich Platz und kann wegen der Ausnutzung der Latentwärme gleichmäßiger Wärme abgeben als diese.

Ein Rechenbeispiel soll die Größenordnungen verdeutlichen. Zur Beheizung eines gut gedämmten Hauses mit einem Energiebedarf von 100 kWh/(m²·a) und 89 m² Wohnfläche werden 890 Liter Heizöl oder 890 m³ Erdgas benötigt (siehe den Artikel „Heizwert“). Das entspricht einem Jahres-Wärmebedarf von 32 GJ. Um diese Wärmemenge im Sommer durch Solarabsorber zu erzeugen, werden bei angenommenen 100 Sonnentagen und einem Ertrag von 4 kWh/(m²·d) etwa 23 m² Solarabsorberfläche nötig. Um die durch Solarabsorber im Sommer erzeugte Wärmemenge von 32 GJ für den Winter in Form von Latentwärme zu speichern, werden ca. 200 m³ Paraffin in einem Tank benötigt. Im Jahre 2008 sind einzelne, mit Paraffin gefüllte Kleinbehälter in einem Wassertank üblich. Die 200 m³ entsprechen einem Rundtank mit 8 Meter Höhe und einem Durchmesser von gut 5,6 Meter. Mit den in einen solchen Tank passenden ca. 200 m³ Heizöl könnte das gleiche Haus allerdings 225 Jahre lang beheizt werden.

In der Abfallverwertungsanlage Augsburg wird seit Januar 2013 im Rahmen eines Modellprojektes ein Teil der bei der Verbrennung entstehenden Abwärme in Containern mit Natriumacetat gespeichert. Diese werden dann mit dem LKW ins nahe Friedberg transportiert, wo die Wärme zur Beheizung eines Schulzentrums verwendet wird.^[5]

Die Anwendungen im Bauwesen sind zwischenzeitlich sehr vielfältig, beispielsweise in Raumumfassungen. Sie wirken thermisch passiv oder mit wasserdurchflossenen Kunststoff-Kapillarrohrmatten bestückt als thermisch aktive Speicherplatten. Die zeitlichen Leistungsverläufe dieser Speicherplatten können als Einzelelemente betrachtet (z. B. Fußbodenheizungen, Wandheizungen, Kühldecken) sehr detailliert mit numerisch arbeitenden Simulationsmodellen bestimmt werden.^[6] Sollen die Speicherplatten zusammen mit dem wärmetechnisch angekoppelten Raum untersucht werden, dann ist eine komplexe Nachbildung mit dem Simulationsmodell^[7] zweckmäßig.

Ein neuartiges Fassadenelement („Solarwand“) speichert in vier Zentimetern Dicke so viel Wärme wie eine 30 cm dicke Ziegelwand. Tagsüber wird Wärme eingespeichert und das Element hält die Temperatur konstant auf der Schmelztemperatur des PCM, 27 °C. Eine Isolierverglasung hält den größten Teil der Wärme „unter Glas“. Im Sommer verhindert eine Prismenscheibe, dass Sonnenlicht aus einem Winkel über 40° absorbiert wird.^[8]

Eine weitere, bislang noch nicht umgesetzte Idee ist der Einsatz in Waschmaschinen und Geschirrspülern, um die Wärmeenergie vorangegangener Reinigungsgänge nicht ungenutzt ins Abwasser abzuführen. Wird das z. B. 60 °C heiße Abwasser des Waschganges einem Latentwärmespeicher zugeführt, kann ein Teil der Wärme zum Aufheizen des nächsten Waschwassers auf 40 °C genutzt und so elektrische Energie gespart werden.

Quelle: Seite „Latentwärmespeicher“. In: Wikipedia – Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 26. Dezember 2020, 20:12 UTC. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Latentw%C3%A4rmespeicher&oldid=206915911 (Abgerufen: 21. September 2021, 14:29 UTC)