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2.3 Wärmespeicher

Im vorherigen Abschnitt wurde der Status quo der Wärmeversorgung in Deutschland dargestellt. Die unterschiedlichen Wärmeabnehmer, technischen Anlagenkonzepte und lokale Gegebenheiten benötigen flexibel anpassbare Systeme für die Integration erneuerbare Energien im Wärmesektor. Dafür steht eine Vielzahl von Speicheranlagen zur Verfügung, welche im folgenden Abschnitt vorgestellt werden sollen.

„Wir haben kein Energiespeicherproblem, wir haben eher die Qual der Wahl zwischen all den Flexibilitäts- und Speicheroptionen.“1

Neben der Möglichkeit Wärmespeicher als Teil einer nachhaltigen Wärmeversorgung einzusetzen, stehen Stromspeicher zur Verfügung. Dafür könnte beispielsweise eine Photovoltaikanlage mit einem Stromspeicher und einer Wärmepumpe gekoppelt werden. Diese Speicher werden in der vorliegenden Untersuchung nicht in Betracht gezogen, da die Investitionskosten sehr hoch sind und die Wirkungsgrade bei dem derzeitigen Forschungsstand für das gewählte Modell2 nicht effizient sind.3 Eine Betrachtung der Marktfähigkeit wie in dieser Arbeit durchgeführt wird somit als nicht plausibel eingestuft.

2.3.1 Grundlagen der Wärmespeicherung

Eine Differenzierung von Wärmespeichern kann auf mehreren Arten erfolgen. Zum einen anhand der Speicherdauer und des Speicherstandortes, zum anderen anhand des Speichermediums. Weitere Klassifikationsmöglichkeiten nach Temperaturniveau, Speicherkapazität und thermischer Leistung sind möglich.1 Abbildung 2-13 bietet einen Überblick über die verschiedenen Arten von Wärmespeichern hinsichtlich der Speicherdauer und des Speichermediums.

Abbildung 2-13:

Übersicht Wärmespeicherung nach Speicherdauer und -medium

Die Speicherdauer beschreibt den Zeitraum zwischen Be- und Entladung des Speichers. Man differenziert in Kurzzeitspeicher, welche Wärme oder andere zu speichernde Energien einige Stunden bis Tage speichern, und Langzeitspeicher, welche die Energie bis zu mehreren Monaten, das heißt saisonal, speichern können. Die technischen Anlagen der Speicherung unterschieden sich hierbei. Die gespeicherten Energiemengen sind bei einem Kurzzeitspeicher viel geringer als bei einem Langzeitspeicher, weswegen sie für die weiteren Untersuchungen nicht in Betracht gezogen werden. Gleichzeitig verändern sich mit der Dauer der Speicherung die Lade- und Entladeleistungen.2

Die Eigenschaften der verschiedenen Speichertechnologien sind in Tabelle 2-3 aufgeführt. Deutliche Unterschiede zeigen sich in den Speicherkapazitäten, den Energiedichten, den Speicherdauern und den Kosten der Speicher. Die Unterschiede sind durch die verschiedenen Entwicklungsstände der Speichertechnologien zu erklären. Wie in Tabelle 2-3 dargestellt, ist die spezifische Wärmespeicherkapazität3 von Wasserspeichern in der Regel höher als bei latenten oder thermochemischen Speichern, jedoch liegt die Effizienz auf Grund der deutlich geringeren Energiedichte unterhalb der möglichen Werte der anderen Systeme. Auf der anderen Seite sind die relativen Baukosten für Wärmespeicher mit einem sensiblen Speichermaterial deutlich niedriger.4 Auf Grund des Temperaturunterschiedes zwischen dem Speichermedium und der Umgebung ist bei diesen Speichern auf die Wärmedämmung besonders zu achten.5 Zusätzlich dazu stellt das optimale Oberflächen-Volumen-Verhältnis einen Erfolgsfaktor dar.6

Tabelle 2-3:

Typische Eigenschaften der Speichertechnologien7

Sensible Wärmespeicher basieren auf der Energieaufnahme und -abgabe durch Temperatur-änderung des Speichermediums.8 Dazu können als Speichermedien sowohl feste Stoffe, wie zum Beispiel Beton, oder flüssige Stoffe, wie beispielsweise Wasser, dienen. Zu den sensiblen Wärmespeichern werden die Bauarten Behälter-, Erdbecken-, Erdsonden- und Aquiferwärmespeicher gezählt. Auch Kies-Wasser-Gemische sind in sensiblen Wärmespeichern zum Beispiel als Behälter- oder Beckenspeicher möglich. Im Fokus der weiteren Bearbeitung werden Behälter-wärmespeicher stehen, da diese weitgehend unabhängig von den geologischen und hydrogeologischen Bodenverhältnissen vor Ort errichtet werden können. Aufgrund ihrer Bauweise und des verwendeten Speichermediums Wasser können sie darüber hinaus risikoarm betrieben und einfach instandgehalten werden. Der einfache Rückbau und die moderaten Investitionskosten sind Vorteile des Speichermediums Wasser.

Latente Wärmespeicher beruhen auf dem Prinzip der Wärmeaufnahme und -abgabe durch Phasenwechsel. Dieser kann von fest zu flüssig oder von flüssig zu gasförmig und umgekehrt erfolgen. Dabei kommen phase change materials (PCM), das heißt Materialien, welche ihren Aggregatszustand verändern können, zum Einsatz. Bei der Aggregatszustandsänderung von fest zu flüssig ist die Volumenänderungen im Gegensatz zu flüssig zu gasförmig meist gering (< 10 %), so dass diese in die Konstruktion einbezogen werden können.9 Ein Beispiel für Latentwärmespeicher sind Eisspeicherheizungsanlagen, in denen Wasser zu Eis gefriert und wieder taut. Durch diesen Vorgang kann Wärme aufgenommen oder abgegeben werden. Im Fokus der derzeitigen Untersuchungen steht die Einbindung von PCM in die Gebäudehülle, so dass in innerstädtischen Bereichen der Platzbedarf reduziert wird.10

Ein Vorteil von Latentwärmespeichern liegt in der höheren Energiedichte, so dass sie mehr thermische Energie bei geringerer Temperaturänderung speichern können. Dies begünstigt eine kompakte Bauweise. Die Temperatur beim Be- und Entladen bleibt dabei konstant. Die Pumpfähigkeit des Speichermediums ist unabhängig vom Aggregatszustand, so dass die Transportfähigkeit von Wärme ermöglicht wird.11 Jedoch sind die Investitionskosten für diese Speicherart, wie Tabelle 2-3 zeigt, höher als bei sensiblen Wärmespeichern.

Die dritte Art von Wärmespeichern sind thermochemische Speicher, welche auf zwei Prozessarten beruhen können. Zum einen steht die Möglichkeit von Sorptionsspeichern zur Verfügung, zum anderen können reversible chemische Verbindungen genutzt werden. Bei der Sorption kann auf Silicatgele oder Zeolithe als Träger zurückgegriffen werden. Die Wärme wird meist über Wasserdampf in den Speicher eingeleitet, welcher sich in diesem an das Sorptionsmaterial anlagert. Sorption ist bei der Speicherung ein physikalischer Prozess. Die Technologie eignet sich bei der Nutzung von industrieller Abwärme.12 Sie findet ebenfalls Anwendung bei Adsorptionswärmepumpen, welche Zeolithen als Speichermaterial beinhalten. Reversible chemische Verbindungen als Wärmespeicher beruhen auf der molekularen Bindungsenergie.13 Bei Speichern mit chemisch reversiblen Verbindungen werden die Reaktionsprodukte getrennt, so dass diese einzeln gespeichert werden können. Die thermische Energie bei der Entladung des Speichers entsteht durch eine exotherme Reaktion. Grundsätzlich haben die thermochemischen Speicher die höchste Speicherdichte der verschiedenen Wärmespeicher.14 Diese Speicherart verfügt über große Entwicklungspotenziale, eine Marktreife ist derzeit jedoch nicht erreicht.

Auf Grund der vorgestellten Vorteile sollen im Folgenden sensible Wärmespeicher im Rahmen der Untersuchung näher vorgestellt werden.

2.3.2 Systeme zur sensiblen Wärmespeicherung

Sensible Wärmespeichersysteme stehen, wie im vorherigen Abschnitt bereits erläutert, als verschiedene Anlagensysteme zur Verfügung. Einen Überblick zu Behälter-, Erdbecken-, Erdsonden- und Aquiferwärmespeicher gibt Abbildung 2-14. Es zeigen sich unterschiedliche Bau- und Funktionsweisen, die in den folgenden Abschnitten erläutert werden.

Abbildung 2-14:

Übersicht der Speicherarten zur sensiblen Wärmespeicherung1

2.3.2.1 Behälterwärmespeicher

In Behälterwärmespeichern wird Warm- und Heißwasser in Behältern aus Ortbeton oder Betonfertigteilen, Stahl oder Kunststoff gespeichert. In der Entwicklung werden unterschiedliche Baustoffe untersucht, welche einen Verzicht auf Auskleidungen durch Stahl und weitere Abdichtungen ermöglichen. Dabei stehen insbesondere hochfester und ultrahochfester Beton sowie spezielle wasserundurchlässige Stahlbetone im Fokus der Untersuchung. Die Speicher können unterschiedlich gebaut werden. Ein oberirdischer, ein unterirdischer, ein halbversenkter oder freistehender Speicher ist möglich.1 Der Einbau in das Erdreich ist auf Grund der landschaftsarchitektonischen Einbindung zu bevorzugen. Die Wände und die Bodenplatte sollten gedämmt werden, um die Wärmeverluste durch die Außenbauteile gering zu halten. Die Wärmeverluste sind bei der Dimensionierung zu berücksichtigen. So zeigen die aktuellen Erfahrungen, dass das Oberflächen-Volumenverhältnis berücksichtigt werden muss, in dem größere Speichervolumina und eine geeignete Formgebung der Speicher genutzt werden. Bei Behälterwärmespeichern muss auf Grund des Speichermediums Wasser und dessen Temperaturschichtung im Speicher auf die internen Wärmeverluste geachtet werden. Diese sind durch geeignete Be- und Entladevorrichtungen möglichst gering zu halten. Die Baukosten können basierend auf den großen Dimensionen und des Materialeinsatzes erheblich steigen. Gleichzeitig müssen statische Berechnungen durchgeführt werden.2

2.3.2.2 Erdbeckenwärmespeicher

Erdbeckenwärmespeicher werden meist mit einem Kies/Wasser-Gemisch befüllt, können jedoch überdies als reine Wasserspeicher betrieben werden. Der Speicher wird in Form einer Grube mit künstlichem oder natürlichem Böschungswinkel gebaut. Dabei wird die Wasser- und Wasserdampfdichtigkeit durch Kunststoffbahnen sichergestellt. Alle Außenbauteile, das heißt Wände, Boden und Deckel, werden mit Wärmedämmung isoliert, um eine ausreichende Wärmedämmung zu gewährleisten.1 Der Wandaufbau muss dabei die Wasser- und Wasserdampfdichtigkeit, die Wärmespeicherung, das Verhindern von Eindringen von Feuchtigkeit und die Versagenssicherheit garantieren.2

Die Abdeckung kann selbsttragend oder schwimmend erfolgen. Die Bauarten unterscheiden sich in den Baukosten und den zusätzlichen Einbauten. Dadurch können sich Unsicherheiten und vermehrte Wärmebrücken bei den Be- und Entladevorrichtungen ergeben.3

Allgemein weisen Erdbeckenspeicher mittlere Baukosten auf und können erheblich größer gebaut werden als Behälterspeicher. Gleichzeitig lassen sich durch das Speichermedium Kies/Wasser niedrigere Wärmekapazitäten feststellen, so dass im Vergleich zu einem Wasserbehälterspeicher ein größerer Speicher benötigt wird.4 Leckagen können wegen der Bauweise nur unter erheblichen Aufwand behoben werden.5

2.3.2.3 Erdsondenwärmespeicher

Erdsondenwärmespeicher speichern die Wärme im vorhandenen Erdreich. Gut geeignet ist hierfür ein wassergesättigtes Tongestein, da dieses eine hohe Wärmekapazität (3,2 kJ/m³K) und eine geringe Wasserdurchlässigkeit besitzt. Die Einleitung der Wärme in das Erdreich erfolgt über Rohre. Bei der Verwendung von Erdsondenspeichern muss beachtet werden, dass genehmigungsrechtliche Bestimmungen eingehalten werden müssen, so dass diese Speicherform nicht überall anzuwenden ist.1 Um die Wärmeverluste zu minimieren sollten die Speicher, wie in Abbildung 2-14 dargestellt, so angeordnet werden, dass sich der wärmste Bereich im Zentrum des Speichers befindet.2 Der Vorteil des Speichertypes liegt insbesondere in seinen niedrigeren Baukosten und in der Erweiterbarkeit. Somit kann der Speicher bei einer baulichen Erweiterung des Gebäudes vergrößert werden. Im Vergleich zu Behälter- oder Beckenspeichern ist die volumenspezifische Wärmekapazität jedoch geringer.3 Neben Erdsonden können Erdkollektoren4 zum Einsatz kommen. Jedoch liegt bei diesen auf Grund der geringeren Einbautiefe die Effizienz deutlich niedriger. Bei genehmigungsrechtlichen Vorgaben kann dies jedoch eine Alternative sein.