Was ist eine Pufferspeicher-Kaskade?

Im Zusammenhang mit der Berichterstattung zum neuen modularen Groß-Pufferspeicher FLEXCA von Paradigma, habe ich euch erklärt, dass dieser eine Alternative zu sogenannten Speicherkaskaden sei. Warum, wieso, weshalb – und was überhaupt eine Pufferspeicher-Kaskade ist, das sind Fragen, die ich hier und heute beantworten möchte.

Um zu verstehen, was eine Kaskade aus Pufferspeichern ist, was sie ausmacht und was sie euch – im Vergleich zu einem Groß-Pufferspeicher (siehe Grafik unten) – bringt oder nicht zu bringen vermag, müssen wir zunächst einen Blick auf die Grundprinzipien der Kaskadierung werfen.

Grundlagenwissen: Kaskade und Kaskadierung

Was heißt Kaskade?

Der Begriff Kaskade meint einen stufenförmigen Wasserfall. Das französische Wort „cascade“ lässt sich mit „kleiner Wasserfall“ übersetzen. Im Italienischen heißt der Wasserfall: „cascata“, „casare“ bedeutet so viel wie fallen. Im Lateinischen gibt es den eher vulgären Ausdruck „casicare“ für „fallen“, der seinen Ursprung wohl im „cadere“ hat.

Was ist eine Kaskade im technischen Sinn?

In der Elektronik und der Elektrotechnik ist dann von einer Kaskadierung die Rede, wenn mehrere Bauteile (Baugruppen / Module) „verkettet“, also aneinander oder hintereinander geschaltet werden (Stichworte: Aneinanderreihung, Hintereinanderschaltung). Laut der Definition von Kaskadierung in der Wiki sei die Verbindung zwischen den einzelnen Modulen dabei einseitig gerichtet, wobei es die Möglichkeit einer Rückverbindung zum Anfang der „Kette“ geben soll.

Was bringt die Kaskade?

Ziel der Kaskadierung von Systemen oder Baugruppen sei es demnach, eine funktional zugrunde liegende Wirkung zu verstärken.

Wie lässt sich die Beziehung der „verketteten“ (kaskadierten) Bauteile charakterisieren?

In der Regeltechnik kennt man den Begriff Kaskadenregelung. Laut Wikipedia handele es sich dabei um eine Kaskadierung mehrerer Regler, deren Regelkreise ineinander verschachtelt seien. Dabei die die Ausgangsgröße des einen Reglers, des sogenannten Führungsreglers, als sogenannte Führungsgröße für einen anderen Regler, den sogenannten Folgeregler. Mit dieser Regelung unterteile man die Gesamtregelstrecke in überschaubare, kleinere Abschnitte, die sich als Teilstrecken besser – und im Vergleich zu einem direkt wirkenden Regler auch genauer regeln ließen.

Aufgabe und Aufbau einer Pufferspeicher-Kaskade

Aus dem Vorgeschriebenen lässt sich für eine Pufferspeicher-Kaskade bereits schließen, dass dafür Pufferspeicher miteinander verkettet werden. Das kann unterschiedlich begründet sein, unter anderem mit dem zu erzielenden Puffervolumen.

Was ist das Puffervolumen?

Mit Puffervolumen ist das Fassungsvermögen eines Pufferspeichers gemeint, also die Menge beziehungsweise das Volumen, die / das er an Warmwasser vorrätig speichern kann. Ein bestimmtes Speichervolumen lässt sich aufteilen: Entweder nimmt man einen großen Speicher oder mehrere kleine, die in Summe das Speichervolumen des einen großen Speichers besitzen. Grundsätzlich gelte dabei, dass so wenig wie möglich Speicher zum Einsatz kämen, denn dann hielten sich

• Regelung,
• Installationsaufwand,
• thermische Verluste
• und daraus resultierende Kosten

möglichst in Grenzen. Dem Prinzip stehen allerdings auch gute Gründe dafür gegenüber, mehrere kleine statt einem großen Pufferspeicher zu installieren:

• Zum einen ist es mitunter einfacher, mehrere kleine Speicher unterzubringen als einen großen. So würde gerade in Bestandsbauten  ein großer Pufferspeicher mit seinen Ausmaßen (je nach Modell mit abnehmbarer Dämmung) häufig sowohl die engen Gänge als auch die engen Türrahmen buchstäblich sprengen und / oder zu viel Platz bei der Aufstellung besetzen.
• Zum anderen spricht mitunter auch die geplante hydraulische Zonierung der Speicherebenen beim Beladen und Entladen der Speicher für mehrere kleine anstelle eines großen Puffers.

Welche sind die Möglichkeiten zur Verschaltung von Pufferspeichern?

Die Verschaltungsmöglichkeiten für Speicher werden für die

• Beladung
• und Entladung

differenziert betrachtet.

So kommen zur Beladung des Speichers alle vier möglichen Verschaltungsformen in Frage:

• parallele Verschaltung
• serielle Verschaltung
• vorrangige Verschaltung
• und kaskadierende Verschaltung, womit wir punktgenau bei unserem Thema gelandet wären.

Zur Entladung werden dagegen nahezu ausschließlich serielle Verschaltungen gewählt, da sie kostengünstig und effizient funktionieren, ein hydraulischer Abgleich unnötig sei und die thermische Zonierung auch beim Entladen erhalten bliebe.

Parallelverschaltung:

In paralleler Verschaltung lassen sich mehrere Speicher zugleich beladen und entladen, wobei die Speicher ein gleich hohes Temperaturniveau aufweisen sollten. Das braucht einen hydraulischen Abgleich, was sich in der Praxis schwer realisieren lässt, so dass Regelungsprobleme beim Be- und Entladen die Folge sein können.

Reihenschaltung (serielle Verschaltung):

Für die Reihenschaltung verbindet man mehrere Speicher in Fließrichtung hydraulisch miteinander, so dass sie auch zeitlich nacheinander durchflossen werden, um be- oder entladen zu werden. Der erste durchströmte Speicher hat während des Be- und Entladens eine höhere Temperatur als die ihm nachfolgenden Speicher, wobei die Temperatur von Speicher zu Speicher sinkt: Es bilden sich demnach thermische Zonen.

Vorrangschaltung:

In Vorrangschaltung lassen sich getrennte Speicher mit voneinander differierender Temperatur „entweder – oder“ be- und entladen. Dabei ist die Reihenfolge wählbar.

Kaskaden-Schaltung (Pufferspeicher-Kaskade):

Kaskaden-Verschaltung heißt, dass alle Speicher in Vorrang seriell durchströmt werden, wobei der zuerst durchströmte Speicher – wie für eine Reihenschaltung typisch – das höchste Temperaturniveau hat (Beladung bei voller Sonneneinstrahlung). Dann werden in der Pufferspeicher-Kaskade nachrangig nur noch sogenannte Nachrang-Speicher durchströmt (entspricht: Tagesende mit gefülltem Vorrang-Speicher / nur noch geringe Sonneneinstrahlung). Dank der seriellen Beladung sämtlicher Speicher in der Pufferspeicher-Kaskade in Vorrang sind die Wärmetauscherflächen der Speicher summierbar. Eine thermische Zonierung stellt sich in der Pufferspeicher-Kaskade ein. Verbunden werden die Speicher mit Gummikompensatoren, die sowohl die Wärmeausdehnung der Anschlüsse aufnehmen als auch Maßungenauigkeiten ausgleichen würden, scheibt Bosy-online.

Gut zu wissen: Die Kaskaden-Schaltung kombiniert die Vorteile der Vorrangschaltung mit den Vorteilen der Reihenschaltung!

Beispiele aus der Praxis für Pufferspeicher-Kaskaden

Unsere Handwerker des Monats liefern uns mit den Projekten des Monats immer mal wieder Beispiele für Puffer-Kaskaden. Zum Beispiel:

Projekt 2 des Monats: Warmwasser für Hotel in der Ukraine mit solarer Deckung von 55 Prozent

Mehrfamilienhaus mit Solaranlage in Celle | Projekt des Monats 11/2015

63% eingespart dank Holzpellets und Solarthermie | Projekt 2 des Monats 11/2015

Fazit: Eine Pufferspeicher-Kaskade, auch Speicherkaskade oder Speicherbatterie genannt, sind Pufferspeicher, die in Reihe miteinander verkettet, sprich: verschaltet sind. Daher spricht man auch von Reihen(ver)schaltung und Kaskadenschaltung. Dabei sind die Temperaturen in jedem Speicher anders. Im Vergleich zu einem Groß-Pufferspeicher braucht eine Puffer-Kaskade deutlich mehr Solarverrohrung, die zudem deutlich aufwendiger ist.

Foto: kemai / photocase (Titelfoto), Paradigma (Grafik)