Wärmespeicherung
Arten und Funktionsweise
Ganz gleich, ob mit fossilen oder regenerativen Energielieferanten – thermische Energie zur Warmwasserbereitung oder Beheizung von Gebäuden lässt sich nur dann effektiv nutzen, wenn die erzeugte Wärme gespeichert werden kann. Nur so können eventuell auftretende Differenzen und Schwankungen zwischen erzeugter und verbrauchter Wärmeleistung ausgeglichen und zeitlich entkoppelt werden.
Zum einen lassen sich Wärmespeicher (WS) nach der Zeitdauer einteilen, über die die erzeugte Wärmenergie gespeichert werden soll. Dazu gehören z.B. Puffer-, Kurzzeit- oder Langzeitspeicher. Zum anderen werden WS nach deren grundlegendem Arbeitsprinzip in sensible, latente oder thermodynamische Speicher unterschieden.
Pufferspeicher
Pufferspeicher kommen meist bei Wärmepumpen, Solarthermieanlagen
oder BHKW zum Einsatz, können aber auch mit Gas- oder
Holzheizkesseln kombiniert werden. In Form großer Wassertanks mit
unterschiedlichem Fassungsvermögen speichern sie das Heizungswasser
stunden- oder tageweise. Das Prinzip ist vergleichbar mit dem einer
Thermoskanne. So wird einerseits die Einschalthäufigkeit des
Wärmeerzeugers vermindert, andererseits die Wärmeverteilung
hydraulisch entkoppelt. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise
der Wirkungsgrad
verbessern.
Kurzzeitspeicher
Mit einer Speicherdauer von bis zu zwei Tagen wird diese Art von
Wärmespeicher hauptsächlich bei Holzkesseln, Solar- oder
Brauchwasserspeichern eingesetzt, um Wärmeangebot und -nachfrage
auszugleichen. Die Wärme muss nicht gleichzeitig erzeugt und wieder
verbraucht werden.
Langzeitspeicher
Langzeitspeicher, auch Saisonalspeicher genannt, können über Wochen
oder Monate Wärme speichern und eignen sich um den Übergang von der
warmen zur kalten Jahreszeit zu überbrücken. Überschüssige Energie,
die während der Sommermonate z.B. mittels Solar- oder Geothermie
erzeugt worden ist, kann im Erdreich oder im dort zirkulierenden
Grundwasser eingelagert werden. Das Ungleichgewicht zwischen
Wärmeangebot und -bedarf wird so minimiert.
Sensible Wärmespeicher
Diese Speicher nutzen die sogenannte sensible oder fühlbare Wärme
von flüssigen oder festen Speichermedien wie Wasser, Magnesit,
Beton oder Erde. Die Energieaufnahme und -abgabe erfolgt durch
Temperaturänderung des Speichermediums. Während beim Lagevorgang
die Wärme einem Speichermedium zugeführt wird, welches daraufhin
seine Temperatur erhöht, gibt das Medium beim Entladen die
gespeicherte, thermische Energie wieder ab, die dann u.a. zum
Heizen genutzt werden kann. Anwendungsbeispiele sind z.B.
Heißwasser- oder Dampfspeicher sowie Kies-Wasser- oder
Erdsondenwärmespeicher.
Latentwärmespeicher
Diese Art von Speicher macht sich die Änderung des
Aggregatzustandes, von fest zu flüssig oder umgekehrt, zunutze.
Gefüllt sind die Speicher mit PCM (engl. Phase Material Change, dt.
Phasenwechselmaterial). Ändert ein Speichermedium seinen
Aggregatzustand von fest zu flüssig, so nimmt es Wärme auf. Die
latente Wärme bleibt dabei im Stoff gebunden und kann durch
physikalische Einwirkungen zu einem späteren Zeitpunkt wieder
freigesetzt und nutzbar gemacht werden. Zur Wärmespeicherung eignen
sich Salzhydrate oder Paraffine, zur Kältespeicherung Wasser oder
wässrige Salzlösungen. Ein Beispiel für einen Latentwärmespeicher
sind Eisspeicher, welche die Kristallisationsenergie nutzen – also
die Energie, die frei wird, wenn das Wasser gefriert.
Thermodynamische Speicher
Thermodynamische Speicher sind reversible Systeme, welche sich in
Sorptionsspeicher und Speicher mit reversiblen chemischen Bindungen
unterteilen lassen. Während sich letztere noch weitgehend im
Forschungs- und Entwicklungsstadium befinden, werden erstere
zumeist in Form von Adsorptionsspeichern mit Wasser als
Arbeitsmedium genutzt. Dabei funktioniert einer solcher Speicher
wie folgt: Dem festen Speichermedium wird Luft mit einer hohen
Temperatur zugeführt. Dadurch kondensiert das im Speichermedium
enthaltende Wasser, der entstandene Dampf wird entzogen. Dieser
Dampf wird in einem Kondensator wieder verflüssigt, das Wasser
bleibt dort. Beim Entladen (Adsorption) verdampft das Wasser
abermals durch das Zuführen von Wärme. Dieser Dampf lagert sich an
das Sorptionsmaterial (in der Regel Stoffe mit großer innerer
Oberfläche und hygroskopischen Eigenschaften wie Zeolithen oder
Silikagele), dabei wird Energie freigesetzt und die Luft
erwärmt.
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