Wärmespeicher

Grundprinzip und Speicherarten

Wärmespeicher sind Einrichtungen, die thermische Energie aufnehmen, aufbewahren und später wieder abgeben. Ihr wichtigstes Ziel ist, die Entstehung und die Nutzung von Wärme zeitlich zu entkoppeln. Je nach Bauart reichen sie von kleinen dezentralen Anlagen bis zu großen zentralen Speichern. Sie können Wärme nur für Stunden oder Tage, aber auch über eine ganze Jahreszeit speichern. Ebenso können sie Niedertemperaturwärme für die Raumheizung oder Hochtemperaturwärme für industrielle Anwendungen aufnehmen.

Sensible Wärmespeicher verändern beim Be- und Entladen ihre fühlbare Temperatur. Ein Beispiel ist ein Pufferspeicher. Die Wärmekapazität, also die je nach Masse oder Volumen und Temperaturänderung speicherbare Wärmemenge, ist dabei eine zentrale Eigenschaft. Weil keine Phasenumwandlung stattfindet, können sensible Speicher über einen breiten Temperaturbereich und besonders auch bei hohen Temperaturen eingesetzt werden.

Latentwärmespeicher nutzen vor allem den Wechsel des Aggregatzustands, meist zwischen fest und flüssig. Während dieses Phasenübergangs kann viel Wärme aufgenommen oder abgegeben werden, ohne dass sich die fühlbare Temperatur wesentlich ändert. Erst eine Be- oder Entladung über die Latentwärmekapazität hinaus führt zu einer weiteren Temperaturänderung.

Thermochemische Wärmespeicher oder Sorptionsspeicher speichern Wärme mithilfe umkehrbarer endothermer und exothermer Vorgänge. Endotherme Reaktionen nehmen Wärme auf, exotherme Reaktionen setzen sie frei. Als Stoffe kommen beispielsweise Silicagel oder Zeolithe infrage.

Thermovoltaikspeicher speichern Energie als Hitze und nutzen deren Infrarotstrahlung anschließend zur Stromgewinnung durch Thermovoltaik. Außerdem unterscheidet man offene, in das Erdreich eingebaute Aquiferspeicher von üblichen geschlossenen Behälterkonstruktionen.

Wichtige Eigenschaften und Einsatzklassen

Der Nutzungsgrad ist das Verhältnis der gespeicherten nutzbaren Energie zur insgesamt zugeführten Energie. Bei herkömmlichen Wasserspeichern nimmt er mit der Zeit ab, weil Wärme an die Umgebung verloren geht. Die Verluste hängen unter anderem von der Oberfläche des Speichers, dem Dämmmaterial und seiner Dicke sowie der Temperaturdifferenz zwischen Speichermedium und Umgebung ab. Bei thermochemischen Speichern tritt dieses Problem nicht oder nur in geringerem Maß auf.

Die Energiespeicherdichte gibt an, wie viel Energie unter bestimmten Bedingungen höchstens bezogen auf das Volumen oder die Masse gespeichert werden kann. Weitere Kenngrößen sind die Be- und Entladezeit sowie die maximale Beschickungstemperatur. Die Speicherperiode ist der Zeitraum zwischen Be- und Entladung. Beladungszeit, Stillstandszeit und Entladungszeit bilden zusammen einen Speicherzyklus. Irreversible Vorgänge können die Speicherkapazität verringern und dadurch die Zahl möglicher Zyklen begrenzen. Bei Sorptionsspeichern ist hierfür vor allem die Stabilität der Adsorbenzien wichtig, also der Stoffe, an deren Oberfläche andere Stoffe gebunden werden.

Langzeitwärmespeicher bewahren Wärme saisonal auf. Dazu gehören Heißwasser-Wärmespeicher in gedämmten Behältern, Kies/Wasser-Wärmespeicher, Erdsonden-Wärmespeicher mit erwärmtem Boden in bis zu 100 m Tiefe und Aquifer-Wärmespeicher, die Grundwasser und Erde erwärmen. Letztere funktionieren nur bei stehendem Grundwasser. Auch thermochemische und die meisten Latentwärmespeicher sind als Langzeitspeicher ausgelegt.

Kurzzeitspeicher speichern Wärme für wenige Stunden oder Tage. Häufig werden freistehende Wasserbehälter verwendet; auch thermochemische Speicher können geeignet sein. Regeneratoren sind Kurzzeitspeicher für diskontinuierlich anfallende Wärme. Sie dienen etwa in der Eisen- und Stahlindustrie oder als Winderhitzer an Hochöfen zur Luftvorwärmung. In Stirlingmotoren speichern Regeneratoren Wärme nur für wenige Millisekunden zwischen.

Verschiebespeicher puffern in der industriellen Solarthermie Sonnenenergie über einige Stunden. Dadurch kann nachts Wärme für Warmwasser und Heizung bereitstehen oder in solarthermischen Kraftwerken rund um die Uhr Strom erzeugt werden. Bei den Temperaturbereichen unterschied man bis 2016 Niedertemperaturspeicher unter 120 °C und Hochtemperaturspeicher über 120 °C. Seit 2016 gelten 120–500 °C als Mitteltemperaturbereich und mehr als 500 °C als Hochtemperaturbereich.

Wasser-, Dampf- und Hochtemperaturspeicher

Wasser eignet sich wegen seiner sehr hohen spezifischen Wärmekapazität besonders gut als Wärmeträger und Speichermedium. Es besitzt eine niedrige Viskosität, ist toxikologisch unbedenklich, billig und einfach zu handhaben. Wärme kann unkompliziert eingebracht und entnommen werden. Ein typischer Anwendungsfall ist der Pufferspeicher einer Heizungsanlage.

Die maximale Speichertemperatur wird durch die Anlagenregelung üblicherweise auf den vom Anlagendruck abhängigen Siedepunkt begrenzt. Ein überhitzter Wasserspeicher heißt Dampfspeicher. Überdruckventile oder Sollbruchstellen sollen den Druck kontrolliert abbauen, bevor Explosionsgefahr entsteht.

Ein Ruthsspeicher ist größtenteils, beispielsweise zu 90 %, mit Siedewasser gefüllt; darüber befindet sich Wasserdampf gleicher Temperatur. Wird Dampf entnommen, verdampft ein Teil des Wassers nach. Die benötigte Wärme stammt aus dem Siedewasser, sodass Druck und Temperatur sinken. Deshalb wird er als Gefällespeicher bezeichnet. Erfunden wurde er von Johannes Ruths (1879–1935). Sein Arbeitsbereich wird durch Anfangs- und Endwerte von Druck und Temperatur sowie durch den anfänglichen Füllgrad bestimmt. Eine entscheidende Kenngröße ist die entnehmbare Dampfmenge pro Speichervolumen. Beim minimalen Entladedruck muss erneut Wärme zugeführt werden, gewöhnlich durch Wasserdampf mit einem Druck oberhalb des Entnahmedrucks zu Beginn der Entspeicherung. Ruthsspeicher gleichen stark schwankenden Dampfverbrauch in industriellen Prozessen aus.

Hochtemperaturspeicher zählen zu den Kurzzeitspeichern und bestehen meist aus keramischen oder metallischen Verbindungen. Wichtig sind hohe Druckfeuerbeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit und spezifische Wärmekapazität. Sie können in Heizkessel eingesetzt und durch die Brennerflamme aufgeheizt werden. Nach dem Abschalten des Brenners geben sie kontinuierlich Wärme an das Heizsystem ab und verzögern dessen erneutes Einschalten.

Auch Gestein kann Wärme speichern. In einem 2019 in Hamburg in Betrieb genommenen elektrothermischen Speicher wurden 1000 t Gestein bei 750 °C verwendet; seine Speicherkapazität betrug 130 MWh. Bei Strombedarf führt heiße Luft die Energie einer Dampfturbine und einem Generator zu. Mobile Wärmespeicher können mit heißem Gas oder Abgas beladen werden und Wärme auch räumlich von ihrer Entstehung trennen. Dadurch können Überschüsse etwa aus der Stahl-, Keramik- oder Glasindustrie extern genutzt werden.

Bei Bern-Forsthaus in der Schweiz soll eine Wasser-Molasse-Lage in 200–500 m Tiefe als saisonaler Speicher dienen. Vantaa Energy kündigte 2024 an, bis 2028 in Vantaa einen unterirdischen Kavernenspeicher mit 1,1 Millionen Kubikmetern Fassungsvermögen zu errichten. Unter Druck soll darin bis zu 140 °C warmes Wasser mit einer Kapazität von 90 Gigawattstunden gespeichert werden.

Latentwärme und thermochemische Speicherung

Latentwärmespeicher nutzen die Enthalpie reversibler Zustandsänderungen, besonders beim Schmelzen und Erstarren. Enthalpie bezeichnet hier die bei der Zustandsänderung aufgenommene oder abgegebene Energie. Meist werden spezielle Salze oder Paraffine geschmolzen. Dabei nehmen sie die Schmelzenthalpie auf und geben genau diese Wärmemenge beim Erstarren wieder ab.

Metallische Phasenwechselmaterialien, kurz mPCM, können ebenfalls verwendet werden. Ihre hohe maximale Speichertemperatur ermöglicht eine besonders hohe Energiedichte; ihre gute Wärmeleitfähigkeit sorgt für eine hohe thermische Leistung. Langfristige Solarwärmespeicher dieser Art benötigen höhere Anfangsinvestitionen als Wasser- oder Kiesspeicher, sind aber platzsparender und geben Wärme gleichmäßiger ab.

Hart-Paraffine schmelzen bei etwa 60 °C. Ihre Schmelzenthalpie beträgt 200–240 kJ/kg und liegt damit etwa ein Drittel unter der Schmelzenthalpie von Wasser. Ihre Wärmekapazität von ungefähr 2,1 kJ/(kg·K) ist etwa halb so groß wie die von Wasser. Zwei Drittel der Wärme bleiben über Monate im Phasenübergang gespeichert. Bei der Konstruktion ist zu beachten, dass sich das Paraffinvolumen beim Übergang von flüssig zu fest um etwa 30 % verringert. Ein bekanntes Beispiel ist das regenerierbare Handwärmkissen mit einer übersättigten Natriumacetat-Trihydrat-Lösung. mPCM-Speicher können außerdem in batterieelektrischen Fahrzeugen bei Kälte die Fahrgastzelle beheizen und dadurch die Traktionsbatterie entlasten.

Thermochemische Speicher nutzen den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen. Zugeführte Wärme verändert die chemische Zusammensetzung des Wärmeträgermediums. Bei einer von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil dieser Wärme wieder frei. Dadurch lassen sich größere Wärmemengen über lange Zeit nahezu verlustfrei speichern, beispielsweise saisonal für solarthermisch beheizte Gebäude. Je nach technischer Ausführung erreicht die Wärmekapazität bis zu 300 kWh/m³ und liegt damit ungefähr fünfmal so hoch wie bei Wasser.

Weitere Anwendungen und Berechnungshinweis

Weitere Anwendungen sind elektrische Speicherheizungen, Warmwasserspeicher, Fernwärmespeicher, Dampfspeicherlokomotiven und mobile Wärmespeicher. Bei Speicherheizgeräten wird nachts elektrische Energie als Wärme in Schamottsteinen gespeichert und am folgenden Tag zum Heizen abgegeben. Asbesthaltige Platten, die in den 1970er Jahren üblich waren, sind inzwischen verboten und dürfen bei Renovierungen nur von Fachbetrieben entsorgt werden.

Als Beispiel für eine gebäudeübergreifende Nutzung nennt der Artikel einen Sonnenhaus-Komplex in Bayern mit fünf Gebäuden und 16 Wohneinheiten. Sein solarer Deckungsgrad, also der Anteil des Wärmebedarfs, der durch Sonnenenergie gedeckt wird, wird mit 65 % angegeben.

Für die Berechnung eines Wasserspeichers verweist der Artikel auf den Wärmewiderstand; ein eigenes ausführliches Berechnungsbeispiel enthält er nicht.