Wärmespeicher

Wärme speichern und später nutzen

In privaten Haushalten spielt Wärmespeicherung bei der Heizung und Warmwasseraufbereitung eine Rolle. Wärmespeicher sorgen beispielsweise dafür, dass Heizungsanlagen sich nicht ständig ein- und ausgeschalten müssen, sondern bereits produzierte Wärmeenergie für später aufbewahren können.

Eigenschaften von Wärmespeichern

Wärmespeicher verfügen über verschiedene Eigenschaften. Kenndaten beschreiben diese genauer: Sie geben Aufschluss über die Leistungsfähigkeit und das Einsatzfeld des jeweiligen Modells. Zu den wichtigsten Kenndaten von Wärmespeichern gehören unter anderem:

• Speichermedium: Unter anderem kommen als Speichermedium Wasser, Dampf, Paraffin, Erde, Beton oder Zeolith zum Einsatz.
• Nutzungsgrad: Er gibt an, wie viel Energie ein Wärmespeicher tatsächlich bewahrt und wie viel zugeführte Energie verlorengeht, bevor der Speicher sie wieder zur Nutzung abgibt.
• Energiespeicherdichte: Sie bestimmt die Menge an thermischer Energie, die der Speicher bezogen auf das Volumen oder die Masse des Speichermediums bewahren kann.
• Belade- und Entladezeit: Die Zeit, die es dauert, Wärme zuzuführen und wieder abzuziehen.
• Temperatur: Die höchstmögliche Temperatur, die der Wärmespeicher bewahren kann.
• Anzahl der Speicherzyklen: Angabe, wie häufig sich der Vorgang des Be- und Entladens durchführen lässt.

Arten von Wärmespeichern

Es gibt zahlreiche Wärmespeicher-Modelle, die alle unterschiedliche Vor- und Nachteile haben und die auf verschiedene Einsatzgebiete ausgerichtet sind – einige beispielsweise auf das häusliche Umfeld, andere auf die Industrie. Meist unterscheidet man die verschiedenen Arten von Wärmespeichern nach Kriterien wie der Dauer der Wärmespeicherung, dem Arbeitsprinzip und der maximal möglichen Temperaturhöhe.

Wärmespeicher nach Zeit

• Kurzzeitspeicher: Können Wärme bis zu zwei Tage speichern. Einsatzgebiete sind Holzkessel oder Solarspeicher. Sie schließen die Lücke zwischen aktuell produzierter und aktuell benötigter Wärmemenge.
• Langzeitspeicher: Wärmespeicherung von mehreren Monaten. Wird beispielsweise genutzt, um im Sommer mittels Solar- oder Geothermie produzierte Wärme bis zum Winter zu speichern.
• Pufferspeicher: Unter anderem bei Wärmepumpen sind Pufferspeicher üblich, die Heizungswasser stunden- oder tageweise speichern, damit der Wärmeerzeuger seltener arbeiten muss.

Wärmespeicher nach Arbeitsprinzip

• Sensible Wärmespeicher: Ein Speichermedium wie Wasser, Beton oder Erde nimmt die Umgebungswärme auf, erhöht dabei seine eigene Temperatur und gibt die Wärme später wieder ab. Dies ist das Prinzip bei Heißwasser- oder Dampfspeichern.
• Latentwärmespeicher: Das Speichermedium (hier Phasenwechselmaterial) nimmt nicht einfach die Wärme auf und speichert sie, sondern ändert dabei auch seinen Aggregatszustand. Die messbare Temperatur verändert sich dadurch kaum. Später setzt das Medium allerdings durch die erneute Änderung seines Aggregatszustands die Wärme wieder frei. Bei der Latentwärmespeicherung kommen unter anderem Salzhydrate und Paraffine zum Einsatz.
• Sorptionsspeicher: Hierbei sorgt eine chemische Reaktion für die Bewahrung der Wärme (darum ist auch die Bezeichnung thermochemischer Wärmespeicher üblich). Als Speichermedium kommt vor allem Zeolith zum Einsatz: kleine Kristalle mit einer porösen Oberfläche, die große Wassermengen aufnehmen können – ein entscheidender Faktor bei der chemischen Reaktion. Ein Sorptionsspeicher kann große Mengen Energie nahezu ohne Verluste speichern.

Wärmespeicher nach Temperatur

• Niedrigtemperaturspeicher: Speichert Wärme bis zu einer Temperatur von 100 Grad.
• Mitteltemperaturspeicher: Bewahrt Temperaturen zwischen 100 und 500 Grad.
• Hochtemperaturspeicher: Kann Temperaturen von über 500 Grad speichern.

Zeolith: Ein Speichermedium mit Zukunft

Zeolith gewinnt als Speichermedium zunehmend an Bedeutung. Denn die Wärmespeicherung soll möglichst effizient, ohne Energieverluste und über einen langen Zeitraum funktionieren. Zeolith erfüllt diese Anforderungen.

Die kristallinen Alumosilikate besitzen eine poröse Struktur und damit eine sehr große Oberfläche, mit der sie viel Wasser aufnehmen können. Bei der Adsorption von Wasser durch Zeolith entsteht aufgrund chemischer Reaktionen viel Wärme. Strenggenommen speichert Zeolith allerdings nicht die Wärme an sich, sondern ermöglicht durch chemischen Prozesse, zum gewünschten Zeitpunkt Wärme zu erzeugen.

Die „Wärmespeicherung“ mit Zeolith funktioniert dabei wie folgt:

• Produzierte oder überschüssige thermische Energie wird Zeolith-Kugeln zugeführt, die Wasser gespeichert haben.
• Dabei trocknet das Zeolith, das Wasser verdunstet und das Kondenswasser wird aufgefangen und aufbewahrt.
• Benötigt man nun wieder Wärme, fügt man dem Zeolith das Wasser wieder zu: Dabei entsteht Hitze, die wiederum genutzt werden kann.

Bei dieser thermochemischen Wärmespeicherung geht praktisch keine Wärme verloren und das Zeolith kann die thermische Energie fast unbegrenzt konservieren.