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. […]