Große Pufferspeicher für nachhaltiges Heizen mit erneuerbaren Energien

Wärme aus Solarenergie und Biomasse effizient speichern

Dr. Katrin Zaß, M.Sc., Dipl.-Ing. Claudius Wilhelms, Dipl.-Ing. Roland Heinzen, Co-Autor: Prof. K. Vajen, Universität Kassel

In modernen, energieeffizienten Heizungs­systemen für Wohngebäude und Industrie ist der Einsatz von großen Wärmepufferspei­chern mit 1 m³ Wasservolumen und mehr unerlässlich. Sie ermöglichen erst den effizi­enten und verbreiteten Einsatz von energie­sparenden und klimafreundlichen Techniken wie Solarthermie, Holzheizkesseln, Wärme­pumpen oder Blockheizkraftwerken.

Bis­herige Speichertechnologien stoßen dabei aber an ihre Grenzen. Oberhalb von ca. 1 m³ wird die Einbringung von Speichern konven­tioneller Bauweise in bestehende Gebäude zur logistischen Herausforderung. In der Not werden oft Speicherkaskaden installiert, mit denen aber effiziente Raumausnutzung, hochwertige Wärmeisolierung und gute thermische Schichtung nicht er­reichbar sind. An der Universität Kassel wurde, gefördert vom BMU, 2007 bis 2010 ein Mehrkomponentenspeicher entwickelt, mit dem bereits große Fortschritte bei der Bewältigung dieser Hindernisse erzielt werden konnten.

Im Folgenden werden Anforderungen an große Pufferspeicher und mögliche technische Lösungen beschrieben, die für eine weitere Verbreitung effizient ar­beitender ökologischer Heizsysteme von hoher Bedeutung sind.

Einbringung ins Gebäude
Die meisten Heizungssysteme werden in Bestandsgebäuden realisiert. Die ein­fache Einbringung des Pufferspeichers in bestehende Gebäude mit lichten Breiten um die 80 cm muss im Fokus einer effizi­enten Pufferspeicherlösung stehen. Hier bieten vor Ort gefertigte bzw. modular aufgebaute Speicher große Vorteile ge­genüber der bisher immer noch durch­geführten Installation mehrerer kleiner Einzeltanks. Diese können in Einzelteilen zerlegt problemlos an den Montageort transportiert werden. Auch die Belastung des Montageperso­nals ist wesentlich reduziert, da selbst die schwersten Teile eines modularen Puffer­speichers deutlich unter 50 kg wiegen.

Effiziente Raumausnutzung
In der Regel ist der für große Speicher verfügbare Bauraum begrenzt. Auf den ersten Blick vielversprechend erscheint hier der Einsatz alternativer Speichermedien mit einer höheren physikalischen Speicherdichte als Wasser ( ca. 60 kW/m³ ). Als Alternative wird seit Jahren der Einsatz von Materialien zur Latentwärmespeicherung (z.B. Salzhydrate, Paraffine) mit physikalischen Energiedichten bis 120 kWh/m³ oder zur thermochemischen Speicherung (z.B. Metallhydride, Silikageele, Zeolithe) mit physikalischen Energiedichten von 200 kWh/m³ bis 500 kWh/m³ intensiv erforscht. Diese Technologien sind bis heute nicht verfügbar und bilden eben auch nur einen Teil der Lösung. Zusätzlich zu berücksichtigen ist, dass das Volumen des Speichermediums selbst nur einen Teil des Raumbedarfs ausmacht. Hinzu kommt der notwendige Raum für Behälter, Wärmedämmung, Be- und Entladestation, Verrohrung, sowie nicht nutzbaren Bauraum aufgrund der Geometrie des Speichers (z.B. zylindrischer Speicher). Die nutzbare Speicherdichte üblicher Speicherkonfigurationen liegt deutlich unter der physikalischen Speicherdichte. Es zeigt sich, dass die nutzbare Speicherdichte eines kubischen Speichers, der den Raum optimal ausnutzt, um etwa einen Faktor 5 über der einer 4-fach-Kaskade aus zylindrischen Speichern liegt, s.Abb.2. […]