Wärmespeicher

Wärmespeicher sind Energiespeicher. Man unterscheidet:

Sensible Wärmespeicher: Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre "fühlbare" Temperatur, z. B. Warmwasserspeicher
Latentwärmespeicher: Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang nicht ihre "fühlbare" Temperatur, sondern das Wärme-Speichermedium ändert seinen Aggregatzustand. Meistens ist das der Übergang von fest zu flüssig. Das Speichermedium kann über seine Latentwärmekapazität hinaus be- oder entladen werden, was erst dann zu einer Temperaturerhöhung führt.
Thermochemische Speicher: Sie speichern die Wärme in endo- und exothermen chemischen Reaktionen.

Wichtige Kennziffern

Wärmeverlust: Er berechnet sich aus der Multiplikation von Oberfläche des Speichers, Temperaturdifferenz zwischen Speicher und Umgebung und einer Konstanten.
Speicherzeitkonstante: Sie gibt an, wann die Temperatur des Wärmespeichers durch Wärmeverluste verursacht nur noch 37 Prozent der Anfangstemperatur beträgt. (siehe auch: Zeitkonstante)
Speicherbare Wärmemenge: Sie hängt von der Art des Wärmespeichers ab. (siehe auch: Wärmekapazität)
Belade- und Entladezeit: Wie lange es dauert eine bestimmte Energiemenge dem Speicher zuzuführen oder zu entnehmen.
maximale Beschickungstemperatur. Die maximale Temperatur des Speichers.

Einsatzbereiche

Es gibt Langzeit- und Kurzzeitspeicher. Langzeitspeicher können z.B. saisonale Wärmespeicher in der Niedrigenergie-Solarthermie sein. Die wichtigsten Typen sind: Heißwasser-Wärmespeicher (gedämmte Behälter mit Wasser), Kies/Wasser-Wärmespeicher (gedämmte Behälter mit Kies/Wasser-Gemisch), Erdsonden-Wärmespeicher (Boden in bis zu 100 m Tiefe wird erwärmt) und Aquifer-Wärmespeicher ( Grundwasser wird erwärmt).

Regeneratoren sind Kurzzeitspeicher, wo diskontinuierlich Wärme anfällt, die gespeichert und wieder abgegeben wird. Diese Wärmespeicher werden in Industrien, wo sehr große Wärmemengen anfallen (z.B. Eisen- oder Stahlindustrie oder Winderhitzer (Gichtgas) an Hochofenanlagen) häufig zum Vorwärmen mit Abwärme eingesetzt.

Wasser zur Wärmespeicherung

Als Speichermedium dient meist Wasser. Es stellt auch ein hervorragendes Wärmeträgermedium dar.

Durch die gute Wärmeleitfähigkeit und aufwändige Isolierung eignet sich Wasser nur eingeschränkt für die längerfristige Wärmespeicherung, etwa vom Sommer in den Winter. Seit einiger Zeit wird daher an der thermochemischen Wärmespeicherung geforscht, die den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen nutzt: Durch Wärmezufuhr wechselt das verwendete Wärmeträgermedium seine chemische Zusammensetzung; bei der von außen angestoßenen Rückumwandlung wird der größte Teil der zugeführten Wärme wieder frei gesetzt. Solche Speicher sind jedoch noch vergleichsweise teuer; zudem sind die Reaktionen bei vielen Systemen relativ träge, so dass thermochemische Speicher die Wärmespeicherung im Solartank nur ergänzen, nicht aber ersetzen können. Ähnliches gilt für den Einsatz von Latentwärmespeichern in Solaranlagen.

Durch sehr groß gewählte Speichervolumen kann das Wärmeverlust-Problem verringert werden: Je höher das Volumen, desto geringer ist das Verhältnis von Oberfläche (an der der Verlust erfolgt) zu Inhalt und damit auch der relative Wärmeverlust. So genannte Saisonalspeicher sind daher meist unterirdisch angelegt und erhalten mehrere hundert Kubikmeter Warmwasser. Aus hygienischen Gründen kann dies jedoch kein Brauch- bzw. Trinkwasser sein, sondern ist so genanntes Pufferwasser, dem bei Bedarf über Wärmetauscher Wärme entzogen und ans Brauchwasser abgegeben wird. Solche Speicher dienen üblicherweise zur Wärmeversorgung ganzer Solarsiedlungen.

Im Weiteren soll jedoch nur auf Standardsysteme eingegangen werden, wie sie in allein stehenden Ein- und Mehrfamilienhäusern zum Einsatz kommen.

Solarspeicher

Solartanks, Solarspeicher oder Solarwärmespeicher dienen der Speicherung der in einer Thermischen Solaranlage gewonnenen Wärme.

Konstruktionsprinzipien von Brauchwasser-Solarspeichern

Von herkömmlichen Brauchwasserspeichern unterscheiden sich Solarspeicher vor allem durch:

sehr starke Isolierung; üblich sind 10 cm und mehr aus einem stark isolierenden Material wie z.B. PU- oder PP-Schaum, zum Teil zweischichtig, gegenüber oft nur 5 cm Mineralwolle bei herkömmlichen Warmwasser-Speichern in Zentralheizungsanlagen.
eine hohe und schlanke Bauform des Wasserbehälters, die die Entwicklung unterschiedlicher Temperaturschichten erlaubt (oben heißes Wasser, unten kühles Wasser)
einen tief angebrachten, großflächigen Wärmetauscher für die Übertragung der Wärme aus dem Solarkreis.

Häufig sind Solarspeicher bivalent ausgelegt, das heißt, sie besitzen zusätzlich zum Wärmetauscher des Solarkreises eine Einrichtung zum Nachheizen mittels einer anderen Energiequelle, z.B. einen zweiten Wärmetauscher im oberen Speicherbereich zum Anschluß an einen konventionellen oder Biomasse-Heizkessel. Dieses Nachheizen wird immer dann notwendig, wenn die Sonne nicht genügend Energie liefert, um den Warmwasserbedarf zu decken (zum Beispiel nach mehreren kalten Tagen mit dichter Wolkendecke). Alternativ kann dazu auch ein elektronisch geregelter Durchlauferhitzer verwendet werden. Die Warmwassererzeugung per Strom ist aber energetisch sehr ineffizient und wenig umweltfreundlich.

Wärmespeicher zur Heizungsunterstützung

Unter solarer Heizungsunterstützung versteht man die Nutzung von solarer Wärme zu Heizzwecken. An sonnigen Tagen in der Übergangszeit (Herbst bzw. Frühjahr) kann je nach Auslegung der Solaranlage und Wärmeisolierung des Hauses die Solarenergie allein zur Heizung ausreichen, an vielen Wintertagen wird die Sonne aber nur einen Teil der benötigten Heizwärme liefern, die konventionelle Heizung also nur unterstützen können. (Ausgenommen sind dabei Häuser im Passivhaus-Standard.)

Anlagen zur Heizungsunterstützung erfordern wesentlich höhere Wärmespeicher-Kapazität als reine Brauchwasser-Erwärmungsanlagen und damit deutlich größere Solartanks. Beim Bau solcher Anlagen wird grundsätzlich zwischen Mehrfach-Speicher-Anlagen und Tank-im-Tank-Systemen unterschieden. Bei ersteren sind Heizwasser-Pufferspeicher und Warmwassertank in räumlich getrennten Speichern untergebracht; eine elektronische Steuerung verteilt die in Form erhitzer Solarflüssigkeit von den Kollektoren gelieferte Sonnenwärme auf die verschiedenen Wärmetauscher in den Pufferspeichern und dem Brauchwasserspeicher.

Eine weniger aufwendige Steuerlogik erfordern so genannte Kombispeicher oder Tank-im-Tank-Systeme. Diese Speicher werden vom Wasser aus der Zentralheizungsanlage durchflossen, das im unteren Bereich solar erwärmt, im oberen Bereich bei Bedarf aus dem Heizkessel nachgeheizt wird. Im Inneren dieses Heizwasser-Pufferspeichers befindet sich ein zweiter, deutlich kleinerer Tank oder ein dickes Wärmetauscher-Rohr, durch den bzw. das Trinkwasser fließt und - ähnlich einem Durchlauferhitzer - dabei vom Heizwasser erwärmt wird. Solche Speicher weisen ein wesentlich höheres Gesamt-Puffervolumen als reine Brauchwassertanks auf (mindestens doppeltes Volumen), der vorgehaltene Anteil an erwärmten Trinkwasser ist aber wesentlich geringer (etwa 80 bis 200 l).

Solche Anlagen eignen sich daher nicht nur für die solare Heizungsunterstützung, sondern auch für öffentliche Gebäude oder Pensionen, die einen hohen Warmwasserbedarf haben, aber aus Hygienegründen nicht auf Warmwassertanks mit mehr als 400 l zurückgreifen wollen.

Schichtenspeicher

Wichtig für eine effiziente Solarnutzung ist die Temperaturschichtung im Speicher: Durch eine hohe und schlanke Bauform sammelt sich das bereits erhitzte Wasser im obersten Speicherbereich und wird auch dort entnommen, während frisches, kaltes Wasser im unteren Bereich einfließt. Es entstehen "Schichten" mit unterschiedlicher Temperatur. Dadurch wird erreicht, dass am im unteren Speicherbereich angebrachten Wärmetauscher der Solaranlage möglichst lange eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz besteht, dass ein Wärmeeintrag aus dem Solarkreis erfolgen kann. Erst wenn der Speicher bis in die untersten Temperaturschichten so warm ist wie die in den Kollektoren erwärmte Solarflüssigkeit, schaltet sich die Solaranlage ab.

Aufgrund dieser Zusammenhänge ist ein Ziel bei der Entwicklung neuer Solartanks die Förderung und Stabilisierung der Schichtenbildung. Verwirbelungen zum Beispiel bei der Entnahme von heißem Brauchwasser sollen vermieden werden. Gleichzeitig soll die Wärmezuführung optimiert werden. Dazu dienen beispielsweise Solarspeicher, die nicht nur über zwei Wärmetauscher verfügen (bivalente Speicher), sondern über drei (trivalent). Dabei dienen die beiden unteren Wärmetauscher der Zuführung von solarer Wärme, während der oberste meist wie bei herkömmlicheren Speichern zur Nachheizung bei nicht ausreichender Sonneneinstrahlung genutzt wird. Die beiden unteren Wärmetauscher sind dabei so verschaltet, dass bei ausreichender Temperaturdifferenz zwischen Speicher und Kollektor zunächst der mittlere Wärmetauscher durchflossen wird und Wärme in den Speicher "pumpt", während die nach diesem Durchlauf verbleibende Restwärme im untersten Wärmetauscher im kältesten Bereich des Speichers verwertet wird. Reicht die Solarwärme nicht mehr aus, im mittleren Speicherbereich Energie zuzuführen, wird der mittlere Wärmetauscher stillgelegt und nur noch der unterste Wärmetauscher durchflossen.

Literatur

N. Fisch / u. a.: Wärmespeicher, hrsg. vom Fachinformationszentrum Karlsruhe, BINE Informationsdienst, 4., überarbeitete Aufl. 2005, DIN A5, kartoniert, 120 Seiten, TÜV Verlag 2005, ISBN 3-8249-0853-0