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Wärmespeicher

Wärmespeicher sind Speicher für Wärme, also für thermische Energie. Sie können Wärme aufnehmen und später wieder abgeben.

Wärmespeicher können auf verschiedene Weisen realisiert werden:

• In den meisten Fällen wird eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) oder ein festes Medium durch Wärmezufuhr wärmer, d. h. die Temperatur steigt an. Es gibt jedoch auch Speicher für latente Wärme (Latentwärmespeicher), bei denen die zugeführte Wärme einen Phasenübergang bewirkt (z. B. das Schmelzen einer ursprünglich festen Substanz), aber keine Temperaturerhöhung. Thermochemische Wärmespeicher speichern Wärme auf physikalisch/chemische Art, beispielsweise durch Sorption/Desorption.
• Das Wärmespeichermedium kann im Speicher eingeschlossen bleiben und über einen Wärmeübertrager be- und entladen werden. In anderen Fällen wird das (dann meist flüssige) Wärmespeichermedium (z. B. heißes Wasser) dem Speicher zugeführt bzw. entnommen.

Häufig wird eine Wärmedämmung verwendet, um die Wärmeverluste des Speichers zu reduzieren.

Wenn ein Wärmespeicher so dimensioniert ist, dass er etwa den Wärmeverbrauch eines Tages oder etwas mehr abdecken kann, spricht man von einem Tagesspeicher. Dies ist z. B. häufig der Fall bei Anlagen für die solare Warmwasserbereitung. Ähnlich gibt es Wochenspeicher und saisonale Speicher.

Energie- und Exergieverluste

Ein Wärmespeicher weist in der Regel gewisse Verluste der gespeicherten Wärme auf, auch wenn diese durch Wärmedämmung stark vermindert werden können. Beispielsweise verliert auch ein gut wärmegedämmter Warmwasserspeicher mit einem Volumen 400 Litern typischerweise mehr als eine Kilowattstunde pro Tag, was einigen Prozent der gespeicherten Energiemenge entspricht. Bei größeren Speichern ist der prozentuale Verlust pro Tag geringer.

Zusätzlich zum Energieverlust tritt auch ein Verlust an nutzbarer Temperatur auf. Als Beispiel betrachte man einen Warmwasserspeicher, der anfangs kalt ist und dann über einen Wärmeübertrager mit Hilfe von 60 °C warmem Wasser aufgeheizt wird, bis er 40 °C hat. Auch wenn nichts von der zugeführten Wärme verloren ginge, könnte man die zugeführte Wärme anschließend nur auf einem Temperaturniveau unter 40 °C wieder entnehmen. Dies bedeutet, dass die entnehmbare Exergie verringert ist. Es ergibt sich also ein Exergieverlust einerseits durch den Wärmeverlust und andererseits durch einen Temperaturverlust, der beispielsweise durch Durchmischung von Wasser unterschiedlicher Temperaturen entsteht. Der zusätzliche Exergieverlust ist beispielsweise bei Wärmepumpenheizungen relevant, vor allem aber beim Einsatz von Wärmespeichern im Zusammenhang mit Anlagen zur Stromerzeugung, z. B. bei solarthermischen Kraftwerken.

Der letztere Effekt kann z. B. mit einem Schichtladekonzept vermindert werden. Hier wird Wärme beim Aufladen mit höherer Temperatur (z. B. mit einem Heizkessel) im oberen Bereich des Speichers zugeführt, während Wärme auf tieferen Temperaturniveau (z. B. von Sonnenkollektoren) genutzt werden kann, um den unteren (kälteren) Bereich zu erwärmen.

Beispiele für Wärmespeicher

Im Bereich Heizung und Warmwasser kommen häufig Speicher für warmes Wasser zum Einsatz. Unter Warmwasserspeichern versteht man meist Speicher, in denen direkt das für den Gebrauch bestimmte Warmwasser gespeichert wird. Es ist aber möglich, Heizungswasser darin zu speichern und die Warmwasserbereitung mit einem Wärmeübertrager nach dem Prinzip des Durchlauferhitzers durchzuführen. Pufferspeicher dienen zum Aufnehmen z. B. von momentan überschüssiger Wärme von einem Holzkessel oder einer Wärmepumpe, um die Wärmequelle auch bei momentan geringem Bedarf optimal betreiben zu können. Solarspeicher sind Speicher, die speziell für die Speicherung solarer Wärme vorgesehen sind.

Ein interessanter Ansatz für Gebäude ist die thermische Bauteilaktivierung. Hier werden ohnehin benötigte Bauelemente durch den Einbau von wasserführenden Leitungen "aktiviert", d. h. gezielt für den Einsatz als Wärmespeicher mobilisiert. Beispielsweise lässt sich damit eine Luft/Wasser-Wärmepumpe bevorzugt zu günstigen Tageszeiten (mit niedrigem Strompreis und/oder möglichst hoher Außentemperatur) betreiben.

Elektrospeicherheizungen enthalten oft einen festen keramischen Wärmespeicher, weil dieser auf höhere Temperaturen als Wasser erhitzt werden kann und deswegen eine kompaktere Bauform ermöglicht.

Bei einem Blockheizkraftwerk ermöglicht ein Wärmespeicher eine flexiblere Anpassung an den Energiebedarf im Stromnetz. Wenn viel elektrische Leistung benötigt wird, kann momentan überschüssige Wärme in den Speicher gehen. Der Motor/Generator kann dann während Zeiten mit geringem Strombedarf ausgeschaltet bleiben, und der Wärmebedarf wird aus dem Speicher gedeckt. Solche Wärmespeicher erlauben auch die Deckung einer kurzfristig hohen Spitzenlast an Wärme. Es ist auch möglich, den Anteil der Wärmemengen, die ein zusätzlicher Spitzenlastkessel erzeugen muss, zu reduzieren.

Saisonale Speicher für Heizzwecke sind nützlich, um beispielsweise Wärme von Sonnenkollektoren, die im Sommer reichlich anfällt, im Winter nutzen zu können. Sie müssen recht groß ausgelegt werden, um ein günstiges Verhältnis von Oberfläche und Volumen zu erzielen, und dienen dann einem sehr großen Gebäude oder auch mehreren Gebäuden zusammen. Eine interessante Realisierungsmöglichkeit bieten Aquifere in großer Tiefe, wo die natürliche Umgebungstemperatur der typischen Speichertemperatur ähnlich ist, so dass die Wärmeverluste relativ gering sind.

Industrielle Wärmespeicher können Abwärme von gewissen Prozessen aufnehmen und später als Prozesswärme wieder nutzbar machen.

Hochtemperaturspeicher beispielsweise auf der Basis von geschmolzenem Salz können in Solarthermiekraftwerken eingesetzt werden, um Stunden mit Bewölkung oder sogar ganze Nächte zu überbrücken.

Siehe auch: Wärme, Energiespeicher, Warmwasserspeicher, Solarspeicher, Pufferspeicher, Latentwärmespeicher, thermische Bauteilaktivierung