Wie funktioniert eigentlich Wärmespeicherung?
Vorratshaltung hat die Menschheit deutlich nach vorne gebracht. Um im kargen Winter zu überleben haben unsere Vorfahren Kornspeicher angelegt aus denen dann nach und nach etwas entnommen wurde.
Wir Anlagenmechaniker schlagen uns ebenfalls mit einem Problem herum das mit Überfluss und späterem Mangel zu tun hat. Energie will gebändigt und verwaltet werden. Und nicht etwa der schwierige Umgang mit elektrischer Energie ist das Thema dieses Berichts. Vielmehr wird die Speicherung von Wärmeenergie thematisiert. Welches sind die Standardanwendungen und was ist schon eher exotisch und daher seltener anzutreffen? Was kann und was sollte uns die Zukunft bringen?
Diese Temperaturen sind wichtig
Wenn Anlagenmechaniker über die Speicherung von Wärmeenergie nachdenken, dann geht es meistens um Nutztemperaturen bis 90°C. Darüber wird es zu heiß, selbst für einen Heizkörper. Außerdem muss der Druck beherrschbar bleiben.
Wichtig bei der Betrachtung der Temperatur ist auch wie weit runter kann eine vorhandene Speichertemperatur noch hilfreich sein. Um beispielsweise Trinkwasser auf eine noch angenehme Duschtemperatur zu bringen sind rund 45°C notwendig. Ein noch kühlerer Speicher hilft also wenig, kann er das Wasser doch dann nicht auf die Wunschtemperatur bringen.
Geringere Temperaturen als die erwähnten 45°C sind höchstens noch gefällig bei der Erwärmung einer Fußbodenheizung. Die tiefsten Auslegungstemperaturen in der Praxis liegen derzeit bei 35°C. Dieser Umstand mit den tiefsten Temperaturen klingt sehr trivial, ist aber wesentlich für die nachfolgenden Betrachtungen.
Drei Speicherarten
Um sich über Wärmespeicherung zu orientieren, müssen erst einmal die Möglichkeiten beschrieben werden.
Sensible Wärme
Die einfachste Form der Speicherung ist uralt und mit den menschlichen Sinnen direkt fühlbar. Daher bezeichnet man diese Art auch als sensible, also fühlbare Wärmespeicherung. Es reichte unseren Vorfahren aus, einen Stein ins Feuer zu legen, um später in der Wohnhöhle noch das Nachtlager mit diesem Speicherelement zu erwärmen. Elektro-Nachtspeicher trugen dieses Prinzip bis in unser Jahrhundert, wobei man über den sinnvollen Einsatz von Nachtspeichern wirklich diskutieren kann und soll.
Der Anlagenmechaniker wird jedoch als Speicherelement das Wasser bevorzugen. Bei der Be- und Entladung bedient er sich in der Regel einer Pumpe, die das Wasser mit der enthaltenen Wärmeenergie zur Nutzung sammelt und später wiederum bereitstellt. Diese häufigste Speichermethode lässt immer einen Rückschluss auf die bereits gespeicherte Energiemenge zu. Kurz und knapp kann man sagen: Je heißer der Speicher, desto mehr Energie ist darin enthalten. Dies gilt nicht immer für die folgend genannten Wärmespeicher.
Latente Wärme
Latent bedeutet verborgen und weist in der Namensgebung bereits auf eine fast geheimnisvolle Methode hin. Latentwärmespeicher besitzen ein Speichermedium, meist ein Salz oder Paraffin, welches seinen Aggregatzustand ändert. Dabei nimmt es Wärmeenergie auf, und gibt die Energie später wiederum ab, natürlich mit nochmaliger Änderung des Aggregatzustandes. Der Zustandswechsel, beispielsweise von flüssig zu fest, läuft dann also bei hoher Temperatur ab.
Das klassische Beispiel für diese Art der Wärmespeicher sind die im Handel erhältlichen Handwärmer mit ihrem kleinen Knickmetallplättchen in einer flüssigen Salzfüllung. Löst man durch das Knicken des Metallplättchens die Kristallisation des Salzes aus, so wird kontinuierlich Wärme abgegeben, bis das gesamte Kissen vollkommen ausgehärtet ist. Dieser Prozess ist durch entsprechende Wärmezufuhr, beispielsweise in einem heißen Wasserbad, umkehrbar, also reversibel.
Thermochemische Wärme
Eine weitere Möglichkeit einen Vorrat an Wärmeenergie anzulegen besteht darin einen thermochemischen Prozess ablaufen zu lassen. Gemeint ist der Prozess, der in einer Adsorptionskältemaschine abläuft und im Zusammenhang mit sogenannten Zeolithen steht.
Diese Zeolithe sind kleine Steinchen mit ungeheuer großer innerer Oberfläche. Diese Steinchen erwärmen sich, wenn man diese anfeuchtet. Anschließend kann man ihnen dieses Wasser durch Wärmezufuhr wieder austreiben, sie also regenerieren.
Unterschiede der Systeme
Die Speicherung von Wärme in so genannten Pufferspeichern ist dem Anlagenmechaniker geläufig und bedarf keiner technisch aufwendigen Hilfsmittel. Im einfachsten Fall ist ein Puffer eine Blechbüxe voller Heizungswasser.
Die Regelung der Be- und Entladung eines Speichers kann schon etwas aufwendiger sein, stellt jedoch auch keine zu hohen Anforderungen. Unsere Partner aus der Heizungsindustrie liefern steckerfertige, ausgeklügelte Systeme. Dies liest sich jetzt so, als wäre der alte Puffer, unser sensibler Wärmespeicher, doch das Mittel der Wahl und daher grundsätzlich zu bevorzugen.
Ein entscheidendes Manko muss einem jedoch klar sein. Ein Pufferspeicher beginnt augenblicklich mit seiner Abkühlung, wenn der Ladevorgang abgeschlossen ist. Egal wie dick die Wärmedämmung drum herum gepackt wird, die Temperaturdifferenz zwischen dem kühlen Keller und dem heißen Bottich sorgt sofort für Wärmeaustausch. Ohne Nachheizung erhält sich die Wärme also nur begrenzte Zeit.
Völlig anders sieht es da bei den Latentspeichern aus. Das flüssige Salz versteckt Bewegungsenergie in sich und kann diese während des Kristallisierens als Wärme abgeben. Dem Wärmeträger macht es dabei nichts aus, wie kalt oder warm die Umgebung ist. Den flüssigen Handwärmer können Sie also in einen kalten Raum legen und abkühlen, die Bewegungsenergie der Kristalle können Sie trotzdem noch abrufen. Der größte Anteil der Wärmeenergie wird durch die Kristallisation freigesetzt. Sie können alternativ auch die trockenen Zeolithe stundenlang durch arktische Kälte tragen, dann mit Wasser benetzen und immer noch die darin enthaltene Wärmeenergie abrufen.
Einen Topf mit heißem Wasser in einem kalten Raum zu parken oder damit durch eine Eiswüste zu wandern, würde die ehemals aufgewendete Wärmeenergie so gut wie aufzehren, egal wie dick man den Topf in Dämmung einpackt.
Toll, möchte man schreien, das ist es. Und schaut man sich dann noch die Zeolith-Steinchen an, dann möchte man im ersten Ansatz als Anlagenmechaniker sämtliche Speicher aus den Kundenkellern rausreißen und gegen diese alternativen und innovativen Speichersysteme tauschen. Denn bei diesen Latent- und Thermochemischen Wärmespeichern wird Wärme unabhängig von der Umgebungstemperatur gespeichert.
Was ist nun die beste Lösung?
Ein Beispiel soll es zeigen: In einem Beispiel soll der Energiebedarf eines sehr gut wärmegedämmten Hauses gedeckt werden. Es benötigte in den letzten Jahren immer genau 1.000 Liter Heizöl. In der Vorstellung ist da also ein Würfel mit einer Kantenlänge von 1 Meter, der ausreichte, um das Heizölvolumen für ein ganzes Jahr aufzunehmen. (1 m x 1 m x 1 m = 1 m³= 1.000 l)
Der Hausbesitzer kommt zu mir in die Beratung und möchte wissen welches Speichervolumen er vorhalten muss um den Energiebedarf des Jahres als Heizwasser, in Form von flüssigem Paraffin oder in Zeolithen zu speichern. Er möchte also im Sommer genug ernten, um komplett über den Winter zu kommen.
In erster Näherung fragt der Hausbesitzer, ob er überhaupt das Speichervermögen anpassen muss angesichts dieser latenten Wunder.
Wie groß ist der Arbeitsspeicher?
Um die maximal speicherbare Wärmeenergiemenge plastisch darzustellen soll das Speichervermögen der Systeme in dem bereits beschriebenen Würfel für Heizöl ausgerechnet werden Der Eintausend-Liter-Behälter wird mittels Umrechnung mit den anderen Energieträgern simuliert. Dieser wird dann dem Energiegehalt von 1000 Litern Heizöl gegenübergestellt.
Der Nutzbereich der verglichenen Systeme soll bei Temperaturen zwischen maximal 90 °C und im Minimum bei 35 °C liegen
A als fossiler Brennstoff Heizöl
Der Tank mit 1000 Liter Heizöl kann rund 10.000 kWh Wärmeenergie bereitstellen.
B Latente Wärmespeicherung in Paraffin
Im Tank mit 1000 Liter Paraffin und dem Knickplättchen ließen sich rund 220 kWh verstecken.
C Thermochemische Speicherung in Zeolith
Im mit Zeolith gefüllten 1.000 -Liter-Tank könnte rund 300 kWh an Wärmeenergie bevorraten.
D Sensible Wärmespeicherung in Wasser
In diesem Eintausend-Liter-Behälter stecken gepuffert im Wasser rund 64 Kilowattstunden
Der Hausbesitzer in meiner Pufferberatungsstunde fällt aus seinem Wolkenkuckucksheim. Er ahnt nun schon, dass er zumindest mit der Größe des ursprünglichen Öltanks nicht alle seine Energieträume erfüllen kann. Noch gibt er aber nicht auf. Er schlägt mir vor, dass wir die Grundfläche des ursprünglichen Tanks beibehalten und den innovativen Puffer nach oben beliebig erweitern können.
Geht man davon aus, dass ein Einfamilienhaus mit rund 1000 Liter Heizöl pro Jahr ausreichend versorgt wäre, in Bezug auf die Heizenergie, dann wird anhand der notwendigen Speichergröße klar, welches System diese Kapazität mit welchen Abmaßen bieten würde. Behälter soll in allen Fällen eine quadratische Grundfläche besitzen mit einer Kantenlänge von 1 Meter. Dann müsste der Jahresspeicher für die unterschiedlichen Systeme folgende Höhe annehmen:
A als fossiler Brennstoff Heizöl
Als Behälterhöhe wäre 1 Meter ausreichend
B Latente Wärmespeicherung als Paraffin
Die Behälterhöhe müsste „nur“ rund 33,3 Meter betragen
C Thermochemische Speicherung als Zeolith
Die Behälterhöhe müsste rund 45 Meter betragen
D Sensible Wärmespeicherung als Wasser
Die Behälterhöhe müsste rund 156 Meter betragen
Dem Hausbesitzer wird nun allmählich klar, dass die Speicherung erheblichen Platz und Material erfordern wird.
Aussichten für die Systeme
Angesichts der hier verdeutlichten Unterschiede in der Kapazität und der Empfindlichkeit für Umgebungsbedingungen werden Stärken, Schwächen und letztlich auch die Grenzen der einzelnen Systeme deutlich. Das verbreitete System zur Speicherung sensibler Wärme, also die Pufferspeicher, wird für den kurz- und mittelfristigen Speicherzeitraum die erste Wahl bleiben. Latente und thermochemisch gebundene Wärmeenergie kann auch für längerfristige Aufgaben tauglich werden. Insbesondere mit thermochemischen Verfahren werden bereits Modellanlagen errichtet, die sommerliche Solarenergieüberschüsse in die Wintermonate „retten“. Der verlockenden Idee, Wärmeenergiemengen über längere Zeit zu speichern sind aber Grenzen gesetzt.
Schaut man also nach der ersten Technik-Euphorie auf die Kosten-Nutzen-Rechnung und auf das, was man letztlich selbst mit den High-Tech-Speichern erreichen kann, bleiben die meisten beim guten alten Wasserspeicher. Es erscheint zurzeit jedenfalls unwahrscheinlich, dass riesige Bottiche mit Salzen, Paraffinen oder Zeolithen gefüllt unsere winterlichen Heizanforderungen erfüllen. Aber warten wir es ab!?
Die Energiespeicherung kann natürlich auch auf die Basis von Pflanzenwachstum als Brennstoff gestellt werden. Denn auch das ist ja eine Art von Speicherung, aber als Biomasse wie Pellets, Hackschnitzel oder schnellwachsende Gräser.
