Wärmespeicher: Solarthermie aus der Konserve – was geht?

Konservendosen

Solarwärme zu ernten ist das eine. Sie zu speichern (sprich: konservieren oder puffern) das andere. Doch wie speichert man Wärme? Welche Speichermöglichkeiten gibt es und was taugen sie? Welche Speicherverfahren speichern die sommers überschüssige Wärme auch bis zum Winter? Fragen, die ich heute beantworten will.

Die aktuelle Hochsommerlage über zumindest meiner Heimatstat Hamburg, die uns knallblauen, wolkenlosen Himmel und damit Sonne satt bei heißen Temperaturen um die 30 Grad Celsius  beschert, ist bestes Erntewetter. Auch zum Ernten von Sonnenwärme mittels einer Solarthermie-Anlage. Und so mancher Anlagen-Betreiber wünscht sich angesichts der derzeit eingefahrenen Solarerträge sicher eine Möglichkeit, die heute überschüssige Wärme bis zum Herbst und Winter speichern und dann bei Bedarf wieder abrufen zu können. Doch wie gelingt das?

Die Antwort: mit einem Wärmespeicher. Dazu muss man wissen: Wärme lässt sich nur stofflich speichern, also nur dann, wenn man  einen Stoff speichert, in dem die Wärme steckt. Der Stoff wirkt dann als Wärmeträger, er wird auch Speichermedium genannt. Es gibt inzwischen verschiedene Wärmespeicher zum Speichern von Wärme. Sie unterscheiden sich in Funktionsprinzip und daraus resultierender Speicherdauer sowie der Speichertemperatur.

Unterscheidung von Wärmespeichern nach Art der gespeicherten Wärmeenergie

Eine typische Unterscheidung von Wärmespeichern ist die gemäß dem zugrunde liegenden Funktionsprinzip nach der Art der Energie, die sie speichern in:

  • Wärmespeicher, die thermische Energie speichern
  • und solche, die chemische Energie speichern.

Thermische Energie, also Wärmeenergie, lässt sich einerseits als fühlbare (sensible) Wärme speichern, andererseits als latente Wärme.

Fühlbare Wärme wird einem Speichermedium zugeführt, das so seine Temperatur buchstäblich fühlbar verändert. Zum Beispiel erwärmt der Wärmeerzeuger im häuslichen Heizungskreislauf Wärmeübertragungsmittel wie Heizwasser. Es findet also eine Temperaturerhöhung statt. Pro Kubikmeter Wasser lassen sich etwa 60 Kilowattstunden Wärme (Energiespeicher- beziehungsweise Speicherdichte) speichern. Die Arbeitstemperatur liegt bei unter 100 Grad Celsius.

Latente Wärmespeicher hingegen basieren darauf, dass das Wärmespeichermedium seinen Aggregatzustand ändert (Phasenübergang) und nicht seine fühlbare Temperatur. Es findet also keine Temperaturerhöhung statt. Häufig verflüssigt man einen festen Stoff oder umgekehrt. Dass dabei Energie in Form von Wärme freigesetzt wird, zeigt das Beispiel: Will man Eis zu Wasser schmelzen, benötigt man so viel Wärme, wie man braucht, um das Wasser von Null auf 80 Grad Celsius zu erwärmen. Als latente Wärmespeicher kommen in industriellen Prozessen zum Beispiel Salze zum Einsatz. Pro Kubikmeter lassen sich mit latenten Speichern bis zu 120 Kilowattstunden Wärme speichern, die Arbeitstemperaturen liegen bei Salzhydraten zwischen 30 und 80 Grad Celsius, bei Paraffinen zwischen 10 und 60 Grad Celsius.

Chemische Wärmeenergie, auch thermochemische Energie genannt, steckt in allen brennbaren Stoffen, sie wird als Reaktionswärme freigesetzt. Thermochemische Speicher oder auch Sorptionsspeicher kommen häufig in Kombi mit Großanlagen zum Einsatz. Sie speichern zwischen 200 und 500 Kilowattstunden Wärme pro Kubikmeter und liegen bei Arbeitstemperaturen zwischen 280 und 500 Grad Celsius (Metallhydride), zwischen 40 und 100 Grad Celsius (Silikogele) und zwischen 100 und 300 Grad Celsius (Zeolithe). Letztgenanntes Speichermedium zählt als großer Hoffnungsträger.

Wärmespeicher sind unterschiedlich groß, so dass sie zu dezentralen Kleinanlagen, wie sie auf Ein- oder Mehrfamilienhäusern installiert werden, passen oder zu Großanlagen im industriellen Bereich.

Unterscheidung von Wärmespeichern nach der Speicherdauer (Zeitspanne)

Man unterscheidet Wärmespeicher außerdem nach ihrer Fähigkeit, wie lange sie die Wärme speichern, in

  • Kurzfrist-Wärmespeicher (auch Tagesspeicher genannt)
  • und Saisonal-Wärmespeicher (auch Wochenspeicher genannt).

Mit einem Kurzfrist- beziehungsweise Kurzzeitspeicher lässt sich Wärme zwischen stunden- bis tageweise speichern. Oft handelt es sich dabei um eigenständige Behälter mit Wasser oder thermochemische Speicher.

Auch Regeneratoren, bei denen die Wärme nicht kontinuierlich anfällt, die gespeichert und wieder abgegeben wird, zählen als Kurzzeit-Wärmespeicher. Sie kommen in industriellen Prozessen zum Einsatz, wo viel Abwärme anfällt, zum Beispiel bei der Produktion von Stahl (Hochofen), die anschließend als Prozesswärme zugeführt wird. Auch elektrische Heizgeräte, die zum Beispiel in keramischen Schamott-Steinen Wärme speichern, die aus Strom (elektrischer Energie) erzeugt wurde, sogenannte Nachtspeicherheizungen, gehören zu den Kurzzeit-Wärmespeichern. Sie waren eigentlich bereits totgesagt, leben jedoch im Zuge der Eigenproduktion und -verwendung solaren Stroms gerade wieder auf.

Für die saisonale Speicherung von Wärme über mehrere Wochen und Monate nutzt man große Wasserspeicher, die entweder Behälter-Wärmespeicher, zum Beispiel ein unterirdischer Betonbehälter (neben Ortbeton sind auch Stahl und Kunststoff ist möglich), der meist gedämmt ist und an einen Be- und Entladekreislauf angeschlossen wird, oder Erdbecken-Wärmespeicher sind, zum Beispiel ein künstlicher Teich, den man mit Speichermaterial füllt und zudeckt. Daneben gibt es als saisonale Wärmespeicher noch Erdsonden-Wärmespeicher, die dank ihrer von Wasser durchströmten Erdwärmesonden unterirdisch Wärme speichern. Und auch sogenannte Aquifer-Wärmespeicher gelten als saisonale Speicher: Sie nutzen zur Wärmespeicherung unterirdische, wasserführende Gesteinsschichten, auf die man mit Bohrungen zugreift.

Allen, die mehr zu Aufbau und Funktionsweise saisonaler Speicher lesen und sich über Projekte in Deutschland und Europa informieren wollen, empfehle ich die Website Saisonalspeicher.de. Und auch hier stecken viele fachliche Infos zu Wärmespeichern.

Unterscheidung von Wärmespeichern nach dem Temperaturniveau

Man unterscheidet Wärmespeicher nach dem Temperaturniveau, für das sie ausgelegt sind, in

  • Niedertemperatur-
  • und Hochtemperaturspeicher (HTS).

Niedertemperatur-Wärmespeicher sind zum Beispiel die, die in der Niedrigenergie-Solarthermie genutzt werden. Hier sind es vor allem Heißwasser-Wärmespeicher, aber auch Kies-Wasser-Wärmespeicher werden eingesetzt. Hochtemperatur-Wärmespeicher sind Kurzzeitspeicher, die hohem Druck und Temperaturwechseln gut standhalten und eine spezifische Wärmekapazität besitzen. Man setzt sie oft einfach in herkömmliche Heizkessel ein.

Wichtige Kenndaten eines Wärmespeichers

Wer einen Wärmespeicher beurteilen will, sollte seine wichtigsten Kennwerte wissen. Dazu zählen:

  • Nutzungsgrad
  • Energiespeicherdichte (Wärmekapazität)
  • Belade- und Entladezeit
  • Höchsttemperatur zum Beschicken
  • und die Zahl der ausführbaren Speicherzyklen.

Effiziente und vor allem saisonale Wärmespeicherung, von der auch der eingangs erwähnte Anlagenbetreiber träumt, hängt sehr von der Speicherdichte ab, die der Wärmespeicher bietet. Hier passiert seitens der Forschung viel, wie die aktuelle Meldung belegt.

Foto: nina.sch / photocase

 

 

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