Wärmespeicher
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Wärmespeicher sind Speicher für thermische Energie. Man unterscheidet:
- Sensible Wärmespeicher: Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre "fühlbare" Temperatur, z. B. Warmwasserspeicher
- 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. Das Speichermedium kann über seine Latentwärmekapazität hinaus be- oder entladen werden, was erst dann zu einer Temperaturerhöhung führt.
- Thermochemische Wärmespeicher: Sie speichern die Wärme mit Hilfe von endo- und exothermen chemischen Reaktionen.
Außerdem kann noch zwischen offenen, im Erdreich eingebauten sog. Aquiferspeichern und den üblichen Behälterkonstruktionen unterschieden werden.
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[Bearbeiten] Wichtige 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 Adsorbentien.
[Bearbeiten] 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, wo 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.
[Bearbeiten] 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 gute Speicherfähigkeit und seine relativ niedrige Viskosität akzeptable Anforderungen an die Technik stellt.
[Bearbeiten] 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.
[Bearbeiten] Wärmeverluste
Durch sehr groß gewählte Speichervolumen kann das Wärmeverlust-Problem verringert werden: Je höher das Volumen, desto geringer ist das Verhältnis von Oberfläche (an der der Verlust erfolgt) zu Inhalt und damit auch der relative Wärmeverlust. So genannte Saisonalspeicher können bei niedrigem Energiebedarf durchaus innerhalb der Hülle eines Gebäudes untergebracht werden. Es gibt aber auch unterirdisch angelegte und mehrere hundert Kubikmeter Wasser enthaltende Konstruktionen. Aus hygienischen (gesundheitlichen?) Gründen kann dies jedoch kein Brauch- bzw. Trinkwasser sein, sondern ist so genanntes Betriebswasser - wie in einer Heizungs- oder Fernwärmeanlage -, dem bei Bedarf über Wärmeübertrager Wärme entzogen und an das Nutzmedium abgegeben wird. Solche Speicher dienen üblicherweise zur Wärmeversorgung (Raumheizung und Warmwasser) ganzer sog. Solarsiedlungen.
Im Weiteren soll jedoch nur auf Standardsysteme eingegangen werden, wie sie in allein stehenden Ein- und Mehrfamilienhäusern zum Einsatz kommen.
[Bearbeiten] Solarspeicher
Solarspeicher oder Solarwärmespeicher dienen der Speicherung der in einer Thermischen Solaranlage gewonnenen Wärme. Dabei ist erst einmal nichts über die tatsächliche Verwendung dieser Wärme ausgesagt. Allerdings verstehen viele darunter fälschlicherweise nur die Anlagen zur Warmwasserbereitung.
[Bearbeiten] Konstruktionsprinzipien von Warmwasser-Solarspeichern
Von herkömmlichen Warmwasserspeichern sollten sich Solarspeicher vor allem durch
- etwas stärkere Dämmung; üblich sind 100 mm - mehr ist dringend anzuraten - aus einem gut dämmenden Material wie z.B. PU, Polyäthylen- oder PP-Schaum, Mineralfaser/Mineralwolle oder auch natürlichen organischen Stoffen (Zellulose, Hanf, Flachs usw.) zum Teil zweischichtig (gegenüber oft nur 50 mm Dämmmaterial bei herkömmlichen Warmwasser-Speichern in Zentralheizungsanlagen)
- eine eher hohe und schlanke Bauform des Wasserbehälters, die die Entwicklung unterschiedlicher Temperaturschichten erlaubt (oben heißes Wasser, unten kühles Wasser)
- einen relativ tief angebrachten, großflächigen Wärmeübertrager für die Übertragung der Wärme aus dem Solarkreis
unterscheiden. Anmerkung: Dämmstärken über 100 mm sind am effizientesten bauseits zu erstellen. Häufig sind Solarspeicher bivalent ausgelegt, das heißt, sie besitzen zusätzlich zum Wärmeübertrager des Solarkreises eine Einrichtung zum Nachheizen mittels einer anderen Energiequelle, z. B. einen zweiten Wärmeübertrager im oberen Speicherbereich zum Anschluss an einen konventionellen oder Biomasse-Heizkessel. Dieses Nachheizen wird immer dann notwendig, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert, um den Warmwasserbedarf zu decken (zum Beispiel nach mehreren kalten Tagen mit dichter Wolkendecke). Alternativ kann dazu auch ein elektronisch geregelter Durchlauferhitzer oder eine elektrische Heizpatrone im Inneren des Speichers verwendet werden. Die Warmwassererzeugung per Strom ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich.
Der eigentliche Wasserbehälter besteht – wie auch bei herkömmlichen Warmwasserspeichern üblich – häufig aus 'normalem' Stahl, der innen emailliert ist; aufgrund der hohen Temperaturen, die im Solarbetrieb erreicht werden können, eignen sich Kunststofftanks oder mit Kunststoff ausgekleidete Behälter mit wenigen Ausnahmen nicht für den Einsatz als Solarspeicher. Sowohl emaillierte als auch kunststoffbeschichtete Stahlbehälter benötigen so genannte Opferanoden oder Fremdstromanoden, um bei Emaillierungs- oder Beschichtungsfehlern eine allmähliche Korrosion des Behälters zu verhindern. Bei emaillierten Behältern können solche Fehler auch durch Temperaturspannungen im Betrieb entstehen.
Daneben kommen auch teurere Edelstahlbehälter zum Einsatz, die weniger korrosionsanfällig sind und daher bei den meisten Wasserverhältnissen auf Schutzanoden verzichten können. Eine neuere Entwicklung sind Behälter aus Glasfaser-Verbundstoffen (GFK), die sich für Dauertemperaturen bis 95° Celsius eignen.
[Bearbeiten] Wärmespeicher zur Heizungsunterstützung
Unter solarer Heizungsunterstützung versteht man die Nutzung von solarer Wärme zu Heizzwecken. An sonnigen Tagen in der Übergangszeit (Herbst bzw. Frühjahr) kann je nach Auslegung der Solaranlage und Wärmedämmung des Hauses die Solarenergie allein zur Heizung ausreichen, an vielen Wintertagen wird die Sonne aber nur einen Teil der benötigten Heizwärme liefern, die konventionelle Heizung also nur unterstützen können. Ausgenommen sind dabei Häuser im Passivhaus-Standard.
Anlagen zur Heizungsunterstützung erfordern eine wesentlich höhere Wärmespeicher-Kapazität als reine Wasser-Erwärmungsanlagen und damit deutlich größere Solarspeicher. Beim Bau solcher Anlagen wird grundsätzlich zwischen Mehrfach-Speicher-Anlagen und Tank-im-Tank-Systemen unterschieden. Bei ersteren sind Heizwasserspeicher und Warmwasserspeicher in räumlich getrennten Behältern untergebracht; eine elektronische Steuerung verteilt die in Form erhitzer Solarflüssigkeit von den Kollektoren gelieferte Sonnenwärme auf die verschiedenen Wärmeübertrager in den Speicherbehältern.
Eine weniger aufwendige Steuerlogik erfordern so genannte Kombispeicher oder Tank-im-Tank-Systeme. Diese Speicher werden vom Wasser aus der Zentralheizungsanlage durchflossen, das im unteren Bereich solar erwärmt, im oberen Bereich bei Bedarf aus dem Heizkessel nachgeheizt wird. Im Inneren dieses Heizwasser-Pufferspeichers befindet sich ein zweiter, deutlich kleinerer Tank oder ein dickes Wärmeübertrager-Rohr, durch den das Trinkwasser fließt und - ähnlich einem Durchlauferhitzer - dabei vom Heizwasser erwärmt wird. Solche Speicher weisen logischerweise ein wesentlich höheres Gesamtvolumen als reine Warmwasserspeicher auf (mindestens doppeltes Volumen), der vorgehaltene Anteil an erwärmten Trinkwasser ist aber wesentlich geringer (etwa 80 bis 200 l).
Solche Anlagen eignen sich daher nicht nur für die solare Heizungsunterstützung, sondern auch für öffentliche Gebäude oder Pensionen, die einen hohen Warmwasserbedarf haben, aber aus Hygienegründen nicht auf Warmwasserbehälter mit mehr als 400 l zurückgreifen wollen.
[Bearbeiten] Schichtenspeicher
Wichtig für eine effiziente Solarnutzung ist die Temperaturschichtung im Speicher: Durch eine hohe und schlanke Bauform sammelt sich das bereits erhitzte Wasser im obersten Speicherbereich und wird auch dort entnommen, während frisches, kaltes Wasser im unteren Bereich einfließt. Es entstehen "Schichten" mit unterschiedlicher Temperatur. Dadurch wird erreicht, dass im unteren Speicherbereich angebrachten Wärmeübertrager der Solaranlage möglichst lange eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz besteht, dass ein Wärmeeintrag aus dem Solarkreis erfolgen kann. Erst wenn der Speicher bis in die untersten Temperaturschichten so warm ist wie die in den Kollektoren erwärmte Solarflüssigkeit, schaltet sich die Solaranlage ab.
Aufgrund dieser Zusammenhänge ist ein Ziel bei der Entwicklung neuer Solartanks die Förderung und Stabilisierung der Schichtenbildung. Verwirbelungen zum Beispiel bei der Entnahme von heißem Brauchwasser sollen vermieden werden. Gleichzeitig soll die Wärmezuführung optimiert werden. Dazu dienen beispielsweise Solarspeicher, die nicht nur über zwei Wärmeübertrager verfügen (bivalente Speicher), sondern über drei (trivalent). Dabei dienen die beiden unteren Wärmeübertrager der Zuführung von solarer Wärme, während der oberste meist wie bei herkömmlicheren Speichern zur Nachheizung bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung genutzt wird. Die beiden unteren Wärmeübertrager sind dabei so verschaltet, dass bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen Speicher und Kollektor zunächst der mittlere Wärmeübertrager durchflossen wird und Wärme in den Speicher "pumpt", während die nach diesem Durchlauf verbleibende Restwärme im untersten Wärmeübertrager im kältesten Bereich des Speichers verwertet wird. Reicht die Solarwärme nicht mehr aus, im mittleren Speicherbereich Energie zuzuführen, wird der mittlere Wärmeübertrager stillgelegt und nur noch der unterste Wärmeübertrager durchflossen.
[Bearbeiten] Geothermische Speicher
Geothermie steht immer, also unabhängig von der Tages- und Jahreszeit und auch unabhängig vom Wetter zur Verfügung. Optimal wird eine Anlage dann arbeiten, wenn sie auch dementsprechend zeithomogen genutzt wird. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn im Winter geheizt und im Sommer gekühlt wird, und die hierzu nötigen Energiemengen etwa gleich sind. Beim Kühlen im Sommer ergibt sich dabei eine Erwärmung des Reservoirs und damit dessen Regeneration. Verstärkt wird diese Funktion, wenn Geothermie mit anderen Anlagen z. B. Solarthermie kombiniert wird. Solarthermie stellt Wärme vorwiegend im Sommer zur Verfügung, wenn sie weniger gebraucht wird. Durch Kombination mit Geothermie lässt sich diese Energie im Sommer in das unterirdische Wärmereservoir einspeisen und im Winter wieder abrufen. Die Verluste sind standortabhängig, aber in der Regel gering.
Saisonale Speicher können sowohl oberflächennah, als auch tief in der Erde ausgeführt werden. Sogenannte "Hochtemperatur-Speicher" (>50 Grad) sind allerdings nur in größerer Tiefe denkbar. Beispielsweise verfügt das Reichstagsgebäude über einen derartigen Speicher.
[Bearbeiten] 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
