Solarwärmespeicher

Wärmespeicher sind Speicher für thermische Energie.

Unterscheidungen

• Sensible Wärmespeicher: Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre "fühlbare" Temperatur, z. B. Puffer
• 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.
• Thermochemische Wärmespeicher oder Sorptionsspeicher (Silicagel oder Zeolithe): Sie speichern die Wärme mit Hilfe von endo- und exothermen Reaktionen.

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

Kennwerte

• 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.

Einsatzbereiche

Es gibt Langzeit- und Kurzzeitspeicher. Langzeitspeicher 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 Latent-Wärmespeicher 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.

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. Für die einzelnen Geräte ist auch die Handelsbezeichnung "Wärmespeicher" üblich.

Wasser zur Wärmespeicherung

Als Speichermedium dient in vielen Fällen Wasser, zum Teil in Kombination mit anderen Materialien. Es stellt auch ein hervorragendes Wärmeträgermedium dar, da es durch seine hohe spezifische Wärmekapazität und seine relativ niedrige Viskosität akzeptable Anforderungen an die Technik stellt. Insbesondere macht es das Einbringen wie auch das Austragen der gespeicherten thermischen Energie gleichermaßen einfach, sodass meist ein und dasselbe technische System dafür genutzt werden kann.

Nachteilig ist die druckabhängige, begrenzte Maximaltemperatur, das Wasser darf nicht über seinen Siedepunkt (je nach Anlagendruck etwas über 100 °C) erwärmt werden, da sonst die Gefahr besteht, dass die Anlage platzt. Dies wird üblicherweise durch die Regelung der Anlage sicher gestellt. Für den Notfall sollen Überdruckventile und Sollbruchstellen ein langsames Entweichen ermöglichen. Typischer Anwendungsbereich ist etwa der Puffer einer Heizungsanlage.

Latentwärmespeicher

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.

Der Einsatz von Latentwärmespeichern zur langfristigen Solarwärmespeicherung der Heizenergie für den Winter sind die Anschaffungsinvestitionen höher, 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 einem Drittel niedriger als der Schmelzwärme für Wasser und die Wärmekapazität mit etwa 2,1 kJ/(kg•K) halb so groß wie die von Wasser [1]. Damit kann Paraffin in der Summe zirka 1,5 mal so viel Wärme speichern wie Wasser, bei dem 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.

Thermochemische Speicherung

Seit einiger Zeit wird auch an der thermochemischen Wärmespeicherung geforscht, die den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen nutzt: Durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder freigesetzt. Solche Speicher sind jedoch noch vergleichsweise teuer; zudem sind die Reaktionen bei vielen Systemen relativ träge, so dass thermochemische Speicher die Wärmespeicherung im üblichen Speicherbehälter nur ergänzen, nicht aber ersetzen können. Ähnliches gilt für den Einsatz von Latentwärmespeichern in Solaranlagen, die ihren physikalischen Aggregatzustand durch Wärmezufuhr verändern.

Literatur

• 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

Siehe auch

• Dampfspeicherlokomotive
• Warmwasser
• Fernwärmespeicher

Weblinks

• Projektinformation: Wärmespeicher mit GFK