Speichereinteilung

Wärmespeicher werden nach der gespeicherten Energieform im Speichermedium eingeteilt. Bei sen­siblen und Latentwärmespeichern findet das Speichern als innere Energie ohne bzw. mit Phasenwechsel statt. Sorptive und thermochemische Speicher nutzen die Bindungsenergie eines Stoffpaares. Diese Einteilung hat dann Gültigkeit, wenn die innere Energie als die Summe der kinetischen Energien der Teilchen eines Stoffes/-gemisches und damit als ausschließlich thermische Energie begriffen wird. Jeder Speichervorgang besteht aus den drei Phasen Beladen (Einspeichern), Bereitschaft und Entladen (Ausspeichern).

Sensible Wärmespeicher nutzen also die innere Energie eines flüssigen oder festen Speichermediums ohne Phasenwechsel und damit zwangsläufig mit Auftreten einer fühlbaren Temperaturänderung. In Latentwärmespeichern wird ebenfalls innere Energie gespeichert, dabei tritt jedoch ein Phasenwechsel auf (typisch: fest/flüssig oder flüssig/gasförmig). Während des Phasenwechsels ändert sich die innere Energie des Speichermediums bei idealerweise konstanter Temperatur, so dass von versteckter (latenter) Wärme gesprochen wird. Auch hier eine sprachliche Feinheit: Während Wärme bei Fehlen einer Temperaturdifferenz zugestanden wird, sich zu „verstecken“, genießt ein Wärmespeicher dieses Privileg nie. Also wird in der Norm nicht von latenten Wärmespeichern, sondern von Latentwärmespeichern gesprochen.

Sorptive Wärmespeicher nutzen die Bindungsenergie eines Stoffpaares (Sorptionswärme), ohne dass dabei eine chemische Reak­tion auftritt. Typisch sind Gas-Feststoff-Paarungen, wobei diese Bindung beim Beladen des Speichers durch Wärmezufuhr getrennt (Desorption) und beim Entladen unter Wärmefreisetzung wieder hergestellt wird (Adsorption). Bei Gas-Flüssigkeits-Paarungen, die eher selten vorkommen, wird von De- und Absorption gesprochen.

In thermochemischen Wärmespeichern laufen näherungsweise reversibel betrachtete chemische Reaktionen zwischen einem Gas und einem Feststoff ab (Reaktionswärme). Diese chemische Bindung wird im Verlaufe einer endothermen Reaktion unter Wärmezufuhr getrennt (Beladen) und während einer exothermen Reaktion unter Wärmeabgabe wieder hergestellt (Entladen). Typische Speichermedien für alle Speicherarten sind in Bild 1 aufgelistet.

Speicherausführung

Nach der Einsatzcharakteristik können Wärmespeicher in stationäre, quasistationäre oder mobile Speicher eingeteilt werden. Während bei einem stationären Speicher der gesamte Speicherprozess in einem ortsfesten System abläuft (Warmwasserspeicher in einem Gebäude), findet der Speicherprozess bei einem quasistationären Speicher in einem übergeordneten, ortsveränderlichen System statt (Wärmespeicher für Fahrzeugkabinenheizung). Mobile Speicher werden in getrennten, jedoch ortsfesten Systemen be- und entladen, z. B. zum Transport industrieller Abwärme von einem Unternehmen in eine Schwimmhalle.

Ein weiteres wichtiges Charakteristikum eines Wärmespeichers ist die Art des Be- und Entladens. Direktes Beladen heißt, dass das Speichermedium direkt zu- und abgeführt wird und damit gleichzeitig als Wärmeträger fungiert. Die Leistung des Speichers ist dann quasi über den Enthalpiestrom des Wärmeträgers regelbar. Beim indirekten Beladen wird stattdessen Wärme über einen internen oder externen Wärmeübertrager zu- bzw. abgeführt. Hierbei entspricht die Leistung des Wärmeübertragers der Speicherleistung.

Speicherkenngrößen

Die erste wichtige Kenngröße für die Systemkompatibilität und die Vergleichbarkeit von Wärmespeichern ist die speicherbare Energiemenge – der Wärmeinhalt (in kWh). Im Gegensatz dazu ist die Speicherkapazität der auf 1 K Temperaturdifferenz bezogene Wärmeinhalt des Speichers und damit nur für sensible Wärmespeicher definierbar. Bei sensiblen und Latentwärmespeichern – letztere nutzen zusätzlich oft Anteile der sensiblen Wärme des Speichermediums – müssen zunächst Temperaturdifferenzen festgelegt werden.

Die Einsatztemperaturdifferenz eines Wärmespeichers wird begrenzt durch die Materialeigenschaften des Speichermediums. Wasserflüssigkeit ist drucklos im Bereich 0 °C < T < 100 °C einsetzbar, die Einsatztemperatur von Thermoölen wird nach unten durch deren Viskosität und nach oben durch die Gefahr der thermischen Zersetzung begrenzt, bei Paraffinen muss diese Obergrenze ebenfalls berücksichtigt werden. Mit der Einsatztemperaturdifferenz kann der maximale bzw. theoretische Wärmeinhalt berechnet werden, der praktisch wenig Bedeutung hat und nicht als Vergleichsgröße dienen sollte.

Die Arbeitstemperaturdifferenz eines Wärmespeichers wird durch die Betriebstemperaturen des thermischen Energiesystems begrenzt, in das der Speicher integriert werden soll. In der Regel sind dies die Maximaltemperatur der Wärmequelle und die Minimaltemperatur der Wärmesenke ab- bzw. zuzüglich der Grädigkeit des Wärmeübertragers bei indirekter Beladung. Nur die Arbeitstemperaturdifferenz liefert eine Aussage zum nutzbaren Wärmeinhalt des Speichers.

Wird der Wärmeinhalt des Speichers auf eine Masse bzw. ein Volumen bezogen, erhält man die gravimetrische (in kWh/kg) bzw. volumetrische Energiedichte (in kWh/m3). Dabei sind die Masse bzw. das Volumen des Speichersystems als Bezugsgrößen einzusetzen. Dazu zählen der Speicher sowie alle für den Speicherprozess notwendigen peripheren Teilsysteme, deren Funktion direkt oder anteilig dem Speicher zuzuordnen ist. Nur unter diesen Voraussetzungen ist eine verlässliche und seriöse Vergleichbarkeit von Wärmespeichern unterschiedlicher Größe gegeben.

Eine sehr bedeutsame Kenngröße für die Speicherintegration in thermische Energiesysteme ist die Speicherleistung (in kW) beim Be- und Entladen. Diese bezeichnet die je Zeiteinheit übertragene Energiemenge und kann als Momentan-, Maximal- oder mittlere Leistung angegeben werden. Die Angabe einer gravimetrischen (in kW/kg) oder volumetrischen Leistung (in kW/m3) ist prinzipiell möglich, jedoch meist von untergeordnetem Interesse.

Die Speicherverluste setzen sich aus Be- und Entladeverlusten sowie Bereitschaftsverlusten zusammen; letztere sind bei sorptiven und thermochemischen Speichern vernachlässigbar. Aus den Speicherverlusten kann die Speichereffizienz in Form eines energetischen Wirkungsgrads abgeleitet werden, indem die ausgespeicherte Wärmemenge in Relation zur einge­­speicherten plus Hilfsenergieaufwand (z. B. für Wärmeträgerpumpen) gesetzt wird. Ebenso aussagekräftig ist ein exergetischer Wirkungsgrad, der neben den Wärmeverlusten auch die Absenkung des Temperaturniveaus der Wärme während des Speicherprozesses berücksichtigt.

Für die wirtschaftliche Bewertung eines Wärmespeichers stellt der Jahresnutzungsgrad eine wichtige Kenngröße dar, der die in einem Jahr kumulativ ausgespeicherte Wärmemenge ins Verhältnis setzt zur maximal ausspeicherbaren Wärmemenge. Letztere lässt sich näherungsweise aus dem nutzbaren Wärmeinhalt des Speichers und der binnen eines Jahres maximal möglichen Anzahl an Speicherzyklen berechnen.

DIN 2384

In der DIN 2384 werden zunächst physikalische Grundbegriffe sowie Begrifflichkeiten zur Speichereinteilung, zum Be- und Entladen und zu Speicherverlusten festgelegt. Danach werden die vier Speicherarten mit einer ähnlichen Kapitelstruktur beschrieben. Darin wird zunächst das physikalische Speicherprinzip erläutert und durch Berechnungsgleichungen konkretisiert. Dort finden sich auch jeweils eine tabellarische Übersicht typischer Speichermedien und deren wichtigste Stoffeigenschaften.

Der Darstellung der möglichen Be- und Entladeszenarien folgt die verbale Definition und formelmäßige Beschreibung wichtiger Kenngrößen für den jeweiligen Wärmespeichertyp. Dazu zählen der theoretische und der nutzbare Wärmeinhalt, die Momentanleistung des Speichers beim (in-)direkten Be- und Entladen, die Be- und Entlade- sowie Bereitschaftsverluste und die Wirkungsgrade sowie der Jahresnutzungsgrad.

Bei den Latentwärmespeichern wird zusätzlich unterschieden nach der Art des Phasenwechsels: fest/flüssig oder flüssig/gasförmig (Dampfspeicher). Obwohl bei einem Salzhydrat als Speichermedium der Phasenwechsel fest/flüssig nicht als Schmelzen, sondern vielmehr als Desorption (Auslagerung der Wassermoleküle aus dem Kristallgitter des Salzes) bezeichnet werden sollte, werden diese Speicher dem Sprachgebrauch folgend in die Gruppe der Latentwärmespeicher eingeordnet. Sorptive und thermochemische Speicher werden in einem Kapitel gemeinsam behandelt.

Die DIN 2384 schließt nach einer detaillierten Auflistung sicherheitstechnischer Aspekte für die Auslegung und den Betrieb der Wärmespeicher mit einem Kapitel zur messtechnischen Bestimmung der wichtigsten Kenngrößen sowie einigen Umwelt- und Hygienehinweisen.