Wärmespeicherung

Ob mit fossilen oder mit regenerativen Energielieferanten – thermische Energie zur Warmwasserbereitung oder zur Beheizung von Gebäuden lässt sich in der Regel nur dann effektiv einsetzen, wenn sie auch zwischengespeichert werden kann. Nur so können eventuell auftretende Differenzen und Schwankungen zwischen erzeugter und benötigter Wärmeleistung ausgeglichen und zeitlich entkoppelt werden. Wärmespeicher werden etwa nach Einsatz- und Nutzungszweck unterschieden. Die meisten Wärmespeicher heutzutage sind Zeitspeicher, die die erzeugte Wärmeenergie über einen gewissen Zeitraum speichern und sie bei Bedarf wieder abgeben, also etwa Puffer-, Kurzzeit- oder Langzeitspeicher. Wärmespeicher lassen sich jedoch auch nach ihrem grundlegenden Arbeits- bzw. Funktionsprinzip unterscheiden, etwa sensible, latente oder thermodynamische Speicher. Auch der Temperaturbereich dient der Unterscheidung.

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So gibt es verschiedene Arten und Begrifflichkeiten, mit denen sich Wärmespeicher klassifizieren lassen:

Pufferspeicher

Pufferspeicher dienen als Wärmespeicher in Heizungsanlagen und überbrücken dort den zeitlichen Unterschied zwischen Wärmeproduktion und Wärmeverbrauch – sie puffern also die erzeugte Energie. In Heizsystemen mit fossilen Brennstoffen oder mit Holz (Pellets, Scheitholz etc.) sind Pufferspeicher nicht zwingend notwendig, da die Wärme mit diesen Brennstoffen im Grunde jederzeit produziert werden kann. Jedoch kann auch bei diesen Brennstoffen ein Pufferspeicher sinnvoll sein, um die Wärmeproduktion so effizient wie möglich zu machen.

Wird die Wärme über erneuerbare Energien wie Sonne, Wasser oder Wind produziert (etwa bei Wärmepumpen oder Solarthermieanlagen), die nicht immer zur Verfügung stehen, ist der Einbau eines Pufferspeichers notwendig. Auch bei Blockheizkraftwerken, deren Effizienz am höchsten ist, wenn sie gleichmäßig laufen, ist der Einsatz von Pufferspeichern zur Spitzenlastabdeckung sinnvoll.

Das Funktionsprinzip von Pufferspeichern ist vergleichbar mit dem einer Thermoskanne: Sie bestehen aus großen Wassertanks (mit mitunter mehreren Tausend Litern Fassungsvermögen), die hervorragend wärmegedämmt sind, um die Wärmeverluste zu minimieren. So bleibt die dem Wasser zugeführte Wärme lange erhalten und kann jederzeit abgerufen werden. Damit lassen sich die Effizienz und der Wirkungsgrad einer Anlage zur Heizung und Warmwasserbereitung deutlich verbessern.

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Es gibt verschiedene Arten von Pufferspeichern, die sich in ihrem Aufbau unterscheiden: klassischer Wärmespeicher, multivalenter Speicher, Schichtladespeicher, Kombinationsspeicher, Hybridspeicher und integrierter Pufferspeicher (Unterscheidung siehe Surftipps). Pufferspeicher sollten jedoch nicht mit Warmwasserspeichern verwechselt werden, da sie nicht für die Speicherung von Trinkwasser ausgelegt sind.

Kurzzeitspeicher

Mit einer Speicherdauer von bis zu zwei Tagen wird diese Art von Wärmespeicher hauptsächlich bei Solar- oder Warmwasserspeichern (Trinkwasser) eingesetzt, um Wärmeangebot und -nachfrage auszugleichen.

Elektrische Speicherheizungen als Einzelraumgeräte sind ursprünglich entwickelt worden, um den günstigen Nachtstrom in Schamottsteinen für den Tag zu speichern, gelten heute aber als ineffizient und veraltet.

Langzeitspeicher

Langzeitspeicher, auch Saisonalspeicher genannt, können über Wochen oder gar Monate Wärme speichern und eignen sich daher, 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 Grundwasser eingelagert werden.

Eine andere Möglichkeit, Wärmeenergie zu speichern, sind sogenannte Eisspeicher, die in der Regel in Kombination mit Wärmepumpen genutzt werden. Sie entziehen im Winter dem Wasser im Eisspeicher die Wärme, wobei es sich zu Eis umwandelt, das dann im Sommer für die Kühlung der Räume genutzt werden kann.

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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 Ladevorgang die Wärme einem Speichermedium zugeführt wird, das daraufhin seine Temperatur erhöht, gibt das Medium beim Entladen die gespeicherte, thermische Energie wieder ab, die dann etwa zum Heizen genutzt werden kann. Ein heutzutage oft eingesetzter sensibler Speicher ist die thermische Masse von Bauteilen.

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, nimmt es Wärmeenergie auf, ohne dabei seine Temperatur wesentlich zu ändern. Die latente Wärme bleibt dabei im Stoff gebunden und kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder freigesetzt und nutzbar gemacht werden. Zur Wärmespeicherung eignen sich Salzhydrate oder Paraffine, zur Kältespeicherung Wasser oder wässrige Salzlösungen. Eisspeicher etwa lassen sich auch zu den Latentwärmespeichern zählen, da sie die Kristallisationsenergie nutzen, also die Energie, die frei wird, wenn das Wasser seinen Zustand von flüssig zu fest und umgekehrt ändert.

Thermodynamische Speicher

Thermodynamische Speicher umfassen physikalische Speicher (wie Pufferspeicher) sowie thermochemische Speicher (Sorptionsspeicher). Bei ersteren wird die Wärme in einem Medium wie Wasser physikalisch gespeichert (bspw. durch latente oder sensible Wärmespeicherung). Sie sind relativ einfach aufgebaut, weswegen ihr Einsatzbereich breit gefächert ist.

Sorptionsspeicher

Bei Sorptionsspeichern wird die Wärme nicht physikalisch, sondern chemisch durch reversible Bindungs- und Lösevorgänge (Adsorption/Desorption) gespeichert. Beim Laden des Speichers wird Wasser verdampft und der Dampf vom Speichermaterial (z. B. Zeolith oder Silicagel; also Stoffe mit großer innerer Oberfläche und hygroskopischen Eigenschaften) aufgenommen – dabei wird Wärme in Form von Bindungsenergie gespeichert. Beim Entladen wird dem System Wärme entzogen, wodurch sich das Wasser aus dem Material löst und Wärme freigesetzt wird. Ein Sorptionsspeicher hat eine relativ hohe Energiedichte und geringe Wärmeverluste und ist deshalb besonders für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Speicherkapazität und die Langzeitlagerung geeignet.

Nach Temperaturbereich

Die Art des Wärmespeichers kann auch nach dem Temperaturniveau im Speicher klassifiziert werden. Niedertemperaturspeicher speichern Wärme bis ca. 100 °C, Mitteltemperaturspeicher zwischen 100 und 500 °C und Hochtemperaturspeicher über 500 °C.

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