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Thermische Energiespeicher
Thermische Energiespeicher halten Wärme, die du aktuell nicht brauchst und geben sie später bei Bedarf ab. Hier erfährst du alles rund um den Nutzen, die Funktion, Forschung und Arten von Wärmespeichern zum Heizen.
Wärmespeicher sind für die erfolgreiche Energiewende unverzichtbar
Weit über 50 Prozent des gesamten deutschen Energieverbrauchs entfallen auf die Wärme. Um Versorgungssicherheit, Klimaschutz und eine nachhaltige wirtschaftliche Entwicklung miteinander in Einklang zu bringen, sind erneuerbare Energien und ein effizienter Energieeinsatz unverzichtbar. Daher spielen thermische Speicher auf dem Weg zur Dekarbonisierung, also der Abkehr vom Kohlenstoff, und Energiewende eine bedeutende Rolle.
Funktion: Thermische Energie speichern und später nutzen
Grundsätzlich sind alle Anlagen zur Speicherung von thermischer Energie (Wärmeenergie) Wärmespeicher. Mit Wärmespeichern lassen sich die Nutzungsgrade klassischer und erneuerbarer Energien spürbar verbessern. Das senkt auch den Einsatz von Primärenergie. Bei der Gebäudebeheizung und Warmwasserbereitung sowie bei der Erzeugung von Wärme durch Solarthermieanlagen sorgen Wärmespeicher dafür, dass du die produzierte Wärmeenergie für einen späteren Bedarf aufbewahren kannst. Das hat zum Beispiel im Sommer Sinn, wenn die Sonne scheint und du die gewonnene Energie aber nicht zum Heizen benötigst.
Ein großer Vorteil thermischer Energiespeicher ist es, dass sie ohne chemische Umwandlung auskommen. Sie sind daher sehr einfach, langlebig und vor allem hocheffizient. Das alles stimmt positiv, wäre da nicht das Problem mit der Wirtschaftlichkeit. Diese wird entscheidend von den verwendeten Materialien und der Einbindung der Wärmespeicher in das Gesamtsystem beeinflusst. Bislang existieren daher nur in kleinen Bereichen marktfähige Wärmespeichersysteme, viele sind noch im Entwicklungsstadium.
Anwendungsbeispiele für thermische Energiespeicher
Thermische Energiespeicher können in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, zum Beispiel
- in thermischen Solarkraftwerken: So lässt sich auch nachts Strom erzeugen und die Wirtschaftlichkeit verbessern. Thermische Kraftwerke können flexibler und mit schnelleren Lastwechseln betrieben werden.
- in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen: Hier geht es um die Sicherstellung der Wärmeversorgung und zur zeitlichen Entkopplung von Strom- und Wärmeproduktion.
- in der Industrie zur Nutzung der Abwärme bei zyklischen Prozessen und Anwendungen, um die Abwärme zurückzugewinnen, die sonst verloren geht.
Diese thermischen Energiespeicher gibt es
Es gibt vielfältige Möglichkeiten, Wärme zu speichern. Diesen können nach der Dauer der Speicherung, der Temperatur und dem Prinzip unterschieden werden.
Kurzzeitspeicher
Kurzzeitspeicher halten Wärme bis zu 2 Tage vor. Sie kommen bevorzugt für Holzkessel oder als Solarspeicher zum Einsatz, um die Zeitspanne zwischen aktuell produzierter und tatsächlich benötigter Wärmemenge zu überbrücken.
Pufferspeicher kommen meist dort zum Einsatz, wo Wärme nicht ständig in der gleichen Menge benötigt wird. Beispielsweise bei Wärmepumpen, die das Heizungswasser stunden- oder tageweise speichern, um die Aktivität zu reduzieren. Bei konventionellen Heizungen verhindern Pufferspeicher ebenfalls ein zu häufiges Ein- und Ausschalten.
Solare Langzeitspeicher
Langzeitspeicher bevorraten Wärme über mehrere Monate, um die im Sommer mittels Solarthermieanlagen produzierte Wärme bis zum Winter zu speichern. Benötigst du Wärme, wird das in den oberen Schichten bis zu 95 Grad Celsius heiße Wasser über Wärmeaustauscher geführt und an den Heizwasserkreislauf abgegeben.
Langzeitspeicher werden zur Versorgung von Wohnsiedlungen eingesetzt und erreichen einen solaren Deckungsanteil von bis zu 60 Prozent, Kurzzeitspeicher für Solarthermieanlagen zur Heizungsunterstützung etwa 20 Prozent. Aufgrund der erforderlichen Größe – mindestens 1.000 Kubikmeter – werden solche Langzeitspeicher bevorzugt unterirdisch angelegt. Speicherlösungen für solare Nahwärmenetze befinden sich noch in der Forschungsphase.
Es gibt folgende Lösungsansätze:
- Heißwasser-Wärmespeicher: Hierbei handelt es sich um mit Wasser gefüllte, wärmegedämmte Behälter.
- Kies/Wasser-Wärmespeicher: In den gedämmten Behältern befindet sich ein Gemisch aus Kies und Wasser.
- Erdsonden-Wärmespeicher: Das Erdreich wird bis zu einer Tiefe von 100 Meter aufgewärmt.
Solare Langzeitspeicher für Ein- und Mehrfamilienhäuser
Soll das Haus komplett solar beheizt werden, ist ein Speicher mit 40 Kubikmeter Wasserinhalt erforderlich. Solche turmartigen Langzeitspeicher (saisonale Speicher) sind mehrere Stockwerke groß und müssen daher noch während der Bauphase installiert werden.
Sensible Wärmespeicher
Hier kommt die sensible oder fühlbare Wärme von flüssigen oder festen Stoffen zum Einsatz: Wasser, Magnesit, Beton oder Erde. Wenn beim Ladevorgang dem jeweiligen Speichermedium Wärme zugeführt wird, erhöht sich dessen Temperatur. Wird Energie entnommen, gibt der Speicher die thermische Energie wieder ab. Du kannst sie dann beispielsweise zum Heizen nutzen. Nach diesem Prinzip funktionieren Pufferspeicher.
Latentwärmespeicher
Diese Art von Speicher sind mit PCM (Phase Material Change), also Phasenwechselmaterial, gefüllt. Zum Phasenwechselmaterial zählen Stoffe, die ihren Aggregatzustand verändern, sobald Energie zugeführt wird: von fest zu flüssig und umgekehrt. Ändert ein derartiges Speichermedium beziehungsweise Phasenwechselmaterial seinen Aggregatzustand, nimmt es Wärme auf. Wobei die latente Wärme im Stoff gebunden bleibt. Bei Bedarf kann sie später durch physikalische Einwirkungen wieder freigesetzt und verwertet werden.
Um Wärme zu speichern, sind Salzhydrate oder Paraffine gut geeignet. Benötigst du einen Kältespeicher, bieten sich Wasser oder wässrige Salzlösungen an. Latentwärmespeicher mit Paraffin als Speichermedium eignen sich gut, um mit Solarthermieanlagen betrieben zu werden. Paraffin ist ein Abfallprodukt aus der Erdölindustrie, das in Kerzen, Kosmetika, Putzmitteln und sogar in Süßigkeiten verwendet wird. Mit der von den Solarkollektoren produzierten Wärme lässt sich das Paraffin, das sich in einem Wärmespeicher befindet, schmelzen. Dabei entstehen Temperaturen von bis zu 85 Grad Celsius. Wenn das Paraffin nachts abkühlt, gibt es die Wärme wieder ab.
Thermodynamische Speicher
Thermodynamische Speicher werden als Adsorptionsspeicher mit Wasser als Arbeitsmedium betrieben. Dem festen Speichermedium wird warme, heiße Luft zugeführt. Dadurch verdampft das im Speichermedium enthaltende Wasser und kondensiert am Sorptionsmaterial. Dabei handelt es sich meist um Zeolithe oder Silikagele – Stoffe mit einer großen inneren Oberfläche, die Feuchtigkeit binden können. Beim Entladen (Adsorption) wird erneut Wärme zugeführt und durch Kondensation des heißen Wasserdampfs Wärmeenergie freigesetzt, um die Luft zu erwärmen.
Mit wirtschaftlich arbeitenden Wärmespeichern im Temperaturbereich von 120 bis 1.000 Grad Celsius und Hochtemperaturspeichern lässt sich das Energiemanagement optimieren und dadurch die Energieeffizienz steigern.
Forschung & Entwicklung der Energiespeicherung
Viele der genannten Wärmespeichersysteme sind teilweise noch im Entwicklungsstadium beziehungsweise technisch noch nicht ganz ausgereift und lohnen sich in der Anwendung wirtschaftlich nicht. Mit dem Innovationsforum „Thermische Energiespeicherung“ im sächsischen Freiberg wurde daher vor einigen Jahren ein Kompetenzverbund auf regionaler und nationaler Ebene ins Leben gerufen. Ziel ist es, innovative, verfahrenstechnische Lösungen im Bereich der langzeitstabilen und wirtschaftlichen Speichersysteme und Speichermaterialien durch Forschung zur Marktreife zu verhelfen. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung effizienter und wirtschaftlicher Energiespeicher.
