Damit es mit der Energiewende klappt, braucht es genügend Speicherkapazitäten, wobei neben Stromspeichern auch Wärmespeichern zum Einsatz kommen können. Sie ermöglichen es, überschüssige Energie aus Sonnenkollektoren, Windkraftanlagen oder industriellen Prozessen in Form von Wärme zu speichern und später bei Bedarf abzurufen.
Das ist besonders wichtig, um Schwankungen bei der Erzeugung von Energie durch erneuerbare Energien auszugleichen. Sie entkoppeln Erzeugung und Verbrauch und erhöhen die Effizienz von Energiesystemen. Wir geben einen Überblick über die verschiedenen Arten von Wärmespeichern und wo sie zum Einsatz kommen.
Der wohl am häufigsten gebräuchliche Wärmespeicher – in den Tanks wird Warmwasser gespeichert
Verschiedene Arten von Wärmespeichern im Überblick
Wärmespeicher lassen sich in mehrere Kategorien unterteilen, die jeweils auf unterschiedlichen physikalischen oder chemischen Prinzipien basieren. Jede dieser Technologien hat spezifische Vor- und Nachteile sowie typische Einsatzbereiche. Im Folgenden werden die wichtigsten Wärmespeicher-Arten detailliert beschrieben.
Sensible Wärmespeicher
Sensible Wärmespeicher gehören zu den am weitesten verbreiteten Wärmespeichertechnologien. Sie speichern thermische Energie, indem sie die Temperatur eines Speichermediums erhöhen oder senken. Der Begriff „sensibel“ bezieht sich dabei auf die fühlbare Temperaturänderung des Mediums. Typische Materialien sind Wasser, Beton, Öl oder Feststoffe wie Sand oder Gestein.
Funktionsweise
Die Wärmespeicherung erfolgt durch die spezifische Wärmekapazität des Speichermediums. Die gespeicherte Energiemenge hängt ab von:
der Masse des Mediums,
der spezifischen Wärmekapazität,
der Temperaturänderung.
Beispiel: Ein Wasserspeicher nimmt bei einer Temperaturerhöhung von 50 °C eine große Menge Energie auf, da Wasser eine hohe spezifische Wärmekapazität hat.
Anwendungsbereiche
Heizungsanlagen: Pufferspeicher in Zentralheizungen speichern überschüssige Wärme und geben sie bei Bedarf ab.
Solarthermie: Speicherung von Solarwärme zur späteren Nutzung.
Industrie: Regeneratoren fangen Abwärme auf und führen sie wieder dem Prozess zu, z. B. in der Glas- oder Metallverarbeitung.
Vorteile
Einfacher Aufbau und kostengünstige Materialien.
Geeignet für eine breite Palette von Temperaturen.
Nachteile
Hohe Wärmeverluste, insbesondere bei unzureichender Dämmung.
Große Bauvolumina erforderlich, wenn viel Energie gespeichert werden soll.
Latentwärmespeicher
Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel eines Speichermaterials, etwa von fest zu flüssig oder umgekehrt, um thermische Energie zu speichern. Während dieses Übergangs wird eine große Menge Wärme aufgenommen oder abgegeben, ohne dass sich die Temperatur des Materials wesentlich ändert. Diese Technologie ermöglicht eine sehr kompakte Wärmespeicherung.
Funktionsweise
Das Speichermedium nimmt beim Übergang von einem Aggregatzustand in einen anderen Wärme auf oder gibt sie ab. Häufig wird der Übergang von fest zu flüssig genutzt. Der Energiegehalt wird durch die sogenannte Schmelzenthalpie bestimmt, die deutlich höher ist als die Energie, die bei einer reinen Temperaturänderung gespeichert werden kann.
Typische Speichermaterialien
Paraffine: Kostengünstig, gut verfügbar, aber niedrige Wärmeleitfähigkeit.
Salzhydrate: Hohe Energiedichte, aber korrosiv und teilweise instabil.
Metallische Phasenwechselmaterialien (mPCM): Sehr hohe Energiedichte und Wärmeleitfähigkeit, aber teuer.
Anwendungsbereiche
Gebäudetechnik: Speicherung von Solarwärme oder Abwärme in Latentwärmespeichern.
Elektronik: Temperaturstabilisierung in empfindlichen Geräten.
Fahrzeuge: Reduktion des Energieverbrauchs für Heiz- und Kühlsysteme.
Vorteile
Hohe Energiedichte bei kompakter Bauweise.
Stabilität der Speichertemperatur.
Platzsparend im Vergleich zu sensiblen Wärmespeichern.
Nachteile
Höhere Kosten als sensible Speicher.
Degradation der Materialien durch wiederholte Phasenwechsel.
Komplexere Konstruktion erforderlich.
Thermochemische Wärmespeicher
Thermochemische Speicher sind besonders innovativ, da sie chemische Reaktionen nutzen, um Wärmeenergie zu speichern. Dabei wird Energie in Form von Bindungsenergie gespeichert und durch eine chemische Reaktion wieder freigesetzt. Diese Technologie ist nahezu verlustfrei und eignet sich hervorragend für Langzeitspeicherung.
Funktionsweise
Bei der thermochemischen Speicherung wird eine reversible chemische Reaktion genutzt. Beispiele:
Adsorption und Desorption: Materialien wie Zeolithe oder Silicagel adsorbieren Wasserdampf und speichern dabei Wärme. Beim Rückführen der Reaktion wird die gespeicherte Energie als Wärme freigesetzt.
Chemische Reaktionen: Speichermaterialien wie Calciumhydroxid (Ca(OH)₂) können durch Wärme in Calciumoxid (CaO) und Wasser (H₂O) aufgespalten werden. Wird Wasser wieder hinzugefügt, entsteht Wärme.
Anwendungsbereiche
Saisonale Wärmespeicherung: Ideal für die Speicherung von Solarwärme im Sommer zur Nutzung im Winter.
Nahezu verlustfreie Speicherung über lange Zeiträume.
Geeignet für hohe Temperaturen.
Nachteile
Komplexität und hohe Investitionskosten.
Reaktionskinetik kann die Lade- und Entladezeiten verlängern.
Spezielle Wärmespeicher-Technologien
Sandspeicher
Sandspeicher nutzen die Fähigkeit von Sand, hohe Temperaturen zu speichern. Ein typisches Speichersystem besteht aus einem mit Sand gefüllten Silo, das mit überschüssiger Energie aus Wind- oder Solarkraftwerken aufgeheizt wird. Temperaturen bis zu 600 °C sind möglich.
Diese Speicher nutzen die Umwandlung von Wärme in Infrarotstrahlung und dann in elektrische Energie. Sie kombinieren Wärmespeicherung mit Stromerzeugung.
Einsatzbereich: Innovativer Ansatz zur Stromspeicherung.
Vorteile: Direkte Umwandlung von Wärme in Strom.
Nachteile: Noch in der Entwicklung.
Klassifikation nach Speicherzeit: Kurzzeit- und Langzeitspeicher
Wärmespeicher werden nicht nur nach ihrer Bauart, sondern auch nach der Speicherdauer klassifiziert. Sie lassen sich in Kurzzeitspeicher und Langzeitspeicher einteilen. Während Kurzzeitspeicher Energie für Stunden bis wenige Tage speichern, sind Langzeitspeicher auf Zeiträume von Wochen bis hin zu ganzen Jahreszeiten ausgelegt. Beide Kategorien erfüllen unterschiedliche Funktionen und Anforderungen.
Kurzzeitspeicher: Flexible Lösungen für Stunden oder Tage
Kurzzeitspeicher dienen dazu, kurzfristige Schwankungen zwischen Energieerzeugung und -verbrauch auszugleichen. Sie sind in der Lage, Wärme über Stunden oder maximal wenige Tage zu speichern. Diese Speicherart findet sowohl in Haushalten als auch in der Industrie breite Anwendung.
Technologien und Funktionsweise
Wasserspeicher (Pufferspeicher) Pufferspeicher bestehen meist aus isolierten Tanks, die mit Wasser gefüllt sind. Sie werden in Heizungsanlagen eingesetzt, um überschüssige Wärme zwischenzuspeichern und sie bei Bedarf an die Heizkörper oder das Warmwasser abzugeben.
Kapazität: Von wenigen Litern (für einzelne Haushalte) bis zu mehreren hundert Kubikmetern (für Fernwärmenetze).
Regeneratoren Diese Speicherart wird häufig in der Industrie eingesetzt, um große Mengen Abwärme aus diskontinuierlichen Prozessen zu speichern. Sie bestehen aus Materialien wie Keramik oder Metall, die Wärme schnell aufnehmen und abgeben können.
Einsatzbereiche: Stahl-, Glas- und Chemieindustrie.
Besondere Eigenschaft: Kurzfristige Speicherung mit sehr schneller Lade- und Entladezeit.
Speicherheizgeräte Speicherheizgeräte speichern elektrische Energie in Form von Wärme, die durch spezielle Materialien (z. B. Schamottsteine) aufgenommen wird. Sie sind häufig in Haushalten zu finden und nutzen in der Regel günstigeren Nachtstrom.
Mobile Wärmespeicher Diese Speicher können transportiert werden und ermöglichen es, Wärme aus industriellen Prozessen an andere Standorte zu liefern. Sie nutzen oft heiße Luft, Wasser oder Dampfspeicherung.
Einsatzbereiche
Haushalte:
Heizung und Warmwasserbereitung: Pufferspeicher speichern Energie aus Gas-, Öl-, Pelletheizungen oder Solarthermie.
Solarthermieanlagen: Kurzzeitspeicher puffern die unregelmäßige Wärmeerzeugung durch die Sonne.
Industrie:
Speicherung von Prozesswärme, die diskontinuierlich anfällt (z. B. in Schmelzöfen oder bei der Stahlproduktion).
Vorwärmung von Luft oder Materialien durch Regeneratoren.
Energiewirtschaft:
Stabilisierung des Stromnetzes durch Umwandlung von Stromüberschüssen in Wärme (Power-to-Heat).
Vorteile von Kurzzeitspeichern
Flexibilität: Ideal für kurzfristige Schwankungen.
Einfache Integration: Gut mit bestehenden Heiz- und Energiesystemen kombinierbar.
Kosten: Meist kostengünstiger als Langzeitspeicher.
Nachteile von Kurzzeitspeichern
Begrenzte Speicherdauer: Nur Stunden bis Tage möglich.
Verluste: Wärmeverluste treten schneller auf als bei Langzeitspeichern.
Langzeitspeicher: Wärmespeicherung für Wochen bis Monate
Langzeitspeicher sind darauf ausgelegt, thermische Energie über längere Zeiträume zu speichern, etwa von einer Jahreszeit zur nächsten. Diese Speicher sind besonders wichtig für die Nutzung von saisonalen Energieüberschüssen, etwa im Sommer erzeugter Solarwärme, die im Winter zum Heizen genutzt wird.
Technologien und Funktionsweise
Aquifer-Wärmespeicher Diese Speicher nutzen natürliche Grundwasserschichten (Aquifere) zur Wärmespeicherung.
Funktionsweise: Wärme wird über Brunnen ins Grundwasser eingeleitet. Im Winter wird diese Wärme zurückgeführt und über Wärmepumpen nutzbar gemacht.
Einsatzbereich: Große Fernwärmeprojekte oder gewerbliche Anlagen.
Erdsonden-Wärmespeicher Hier wird Wärme in den Untergrund eingeleitet, typischerweise in Tiefen von bis zu 100 Metern.
Funktionsweise: Über Bohrlöcher wird der Boden erwärmt. Bei Bedarf wird die Wärme mit einer Wärmepumpe zurückgewonnen.
Besonderheit: Sehr langlebig, aber abhängig von der Bodenbeschaffenheit.
Kies-Wasserspeicher Diese Speicher bestehen aus großen Tanks, die mit einem Kies-Wasser-Gemisch gefüllt sind. Sie werden oft für die Wärmespeicherung ganzer Wohnsiedlungen eingesetzt.
Vorteil: Günstiger als reine Wasserspeicher.
Nachteil: Geringere Energiedichte als bei Wasser allein.
Behälter-Wärmespeicher Riesige, gut isolierte Tanks speichern heißes Wasser für Monate. Solche Speicher kommen in Solarthermieanlagen oder in Nah- und Fernwärmenetzen zum Einsatz.
Thermochemische Speicher Durch chemische Reaktionen wird Wärme verlustfrei über lange Zeiträume gespeichert. Typische Materialien sind Zeolithe oder Salze.
Sandspeicher In Sandspeichern wird überschüssige Energie genutzt, um Sand auf Temperaturen bis zu 600 °C zu erhitzen. Die Wärme kann Monate lang gespeichert werden.
Einsatzbereiche
Saisonale Wärmespeicherung:
Solarthermie: Speicherung von Sommerwärme zur Winterbeheizung.
Fernwärmenetze: Speicherung großer Energiemengen für Städte oder Industriegebiete.
Großprojekte in der Energiewirtschaft:
Projekte wie die dänische Wärmewende setzen auf saisonale Speicher, um Fernwärme aus Solarthermie bereitzustellen.
Gebäudeheizung:
Kombination mit Wärmepumpen und Photovoltaik zur Reduzierung fossiler Brennstoffe.
Vorteile von Langzeitspeichern
Saisonale Verfügbarkeit: Nutzung von Energieüberschüssen über lange Zeiträume.
Große Kapazitäten: Ermöglichen die Speicherung für ganze Gebäude, Siedlungen oder Industrieanlagen.
Nachhaltigkeit: Unterstützen die Energiewende durch bessere Integration erneuerbarer Energien.
Nachteile von Langzeitspeichern
Hohe Anfangsinvestitionen: Besonders bei großen Speichern wie Aquiferen oder Kies-Wasserspeichern.
Technische Komplexität: Erfordert sorgfältige Planung und aufwendige Konstruktion.
Verlust durch Wärmeleitung: Trotz guter Isolierung können über Monate geringe Verluste auftreten.
Nach einem Bauingenieurstudium und einer Ausbildung zum Online-Redakteur folgten 10 Jahre als bautechnischer Redakteur bei einer Internet-Agentur. Dort hat er zum Beispiel ein Baulexikon mit über 15.000 Begriffen aufgebaut, das zeitweise auch von OBI genutzt wurde. Eine Auskopplung davon mit speziellen Begriffen rund um den Fertighausbau ist noch auf fertighaus.de zu finden.
Es folgten 10 Jahre als Webtexter beim wohl größten Bad-Onlinshop Deutschlands. Dort war er dafür zuständig, dass die Seite für alle Begriffe rund ums Badezimmer (und Leuchten) gut bei Google rankt. Außerdem war er dort verantwortlicher Redakteur für das Magazin.
Aktuell arbeitet er als Content-Manager beim VDI Verlag. Dort kümmert er sich um all die technischen Themen, die Ingenieure interessiert.
Seit 2012 betreibt er bauredakteur.de und schreibt hier über Themen rund um Bauen, Wohnen, Einrichten und Garten.
