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Wärme- und Kältespeicher

Wärmespeicher haben die Aufgabe, vorübergehend nicht verwendbare Energie so lange zu speichern, bis eine Nutzung möglich ist. Die Suche nach geeigneten Speichern ist gegenwärtig ein wichtiges technisches Problem.

Die Speicher werden unterschieden in:

  1. Warmwasser- und Heißwasserspeicher:
    • Warmwasserspeicher werden in großem Umfang bei der Versorgung mit Warmwasser in Haushalt, Gewerbe und Industrie verwendet.
    • Heißwasserspeicher finden insbesondere bei Heizkraftwerken Anwendung, wenn unterschiedliche Anforderungen beim Wärme- und Strombedarf vorliegen. Beispielsweise wird mit Hilfe von Anzapfdampf aus der Turbine in Zeiten geringeren Strombedarfs der Speicher mit heißem Wasser geladen.
  2. Latentwärmespeicher:
    Latentwärme ist diejenige Wärme, die beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand entnommen und auch wieder zugeführt werden kann (Schmelzwärme), wobei die Zustandsänderung bei konstanten Temperaturen erfolgt. Man kann also überschüssige Wärme zunächst zum Schmelzen derartiger Stoffe verwenden, um sie später bei Bedarf wieder durch Entzug von Wärme zurückzugewinnen. Wichtigste Anforderungen sind eine hohe Speicherkapazität je m³, günstige Schmelzpunkte, nicht korrosiv, wenig Volumenänderung beim Phasenwechsel, große Leitfähigkeit u.a.. Besonders geeignet sind einige Salzhydrate, z.B. Glaubersalz.
  3. Kältespeicher:
    Zur Speicherung von Kälteenergie zu Kühlzwecken. Als Latentspeicher eignen sich Parafine und eutektische Salzgemische. Für Anwendungen in der Klimatechnik ist zu fordern, dass der Phasenwechsel bei einer Temperatur liegen soll, die nur unwesentlich unter der üblichen Kaltwassertemperatur von 6 – 8 °C liegt. Anderenfalls ergibt sich eine schlechte Leistungszahl der Kältemaschine. Unter Berücksichtigung aller Gesichtspunkte hat sich Wasser/Eis am besten bewährt.

Es gibt noch eine Vielzahl weiterer Speicher wie z.B. Langzeitspeicher (Aquiferspeicher), Dampfspeicher und Gesteinsspeicher. In dieser Ausarbeitung werden aber ausschließlich die oben aufgeführten Speicher betrachtet, da sie die größte Relevanz für den Einsatz in der klein - und mittelständischen Industrie (KMU) besitzen.

Wärmeverluste von Speichersystemen

Da Wärme- bzw. Kältespeiche einen stetigen Wärmestrom mit der Umgebung austauschen, sich also abkühlen bzw. erwärmen, entstehen durch ihren Einsatz Betriebskosten unter der Annahme, dass diese Verluste durch eine im Energieversorgungssystem bestehende Wärme- bzw. Kälteerzeugungsanlage ausgeglichen werden.

Die Ermittlung von Betriebskosten, die sich aus Wärmeverlusten von Speichersystemen ergeben, ist nicht über eine einfaches, allgemeingültiges Rechenschema durchführbar, da der Energiepreis stark vom Medium und dessen Erwärmung bzw. Abkühlung abhängig ist. So entspricht etwa der Energiepreis bei der Kälteerzeugung mittels Kompressionskältemaschinen dem Produkt aus Kälteziffer und Strompreis.

Für die Abschätzung solcher Betriebskosten sollen im Folgenden einige recherchierte Verlustangaben sowie Literaturhinweise wiedergegeben werden:

Warmwasser-, Heißwasserspeicher

Häufig wird die Wärme, die ein Speicher trotz Wärmedämmung an die Umwelt abgibt mit der sog. Wärmeverlustrate beziffert. "Gute" Speicher erreichen einen Wert von 2,5 Watt pro Grad Temperaturdifferenz (Watt / Kelvin), in der Praxis tritt bei Speichern mit einem Volumen von etwa 750 Litern oft eine Wärmeverlustrate von 4 - 5 W/K ein (vgl. [1]).

In einer Marktübersicht von Solarspeichern [2] wird empfohlen, dass die Wärmeleitfähigkeit von Dämmmaterialien etwa bei l = 0,035 W/mK liegen sollte. Des weiteren ist ein Wärmeverlustwert kleiner 2 W/K anzustreben, da ein Speicher pro 0,5 W/K Wärmeverlustwert und einer Spreizung von 23 K pro Jahr etwa 150kWh Energie verliert.

Zur Bestimmung des notwendigen Speicherinhaltes und der Wärmeverluste in Warmwasser­speichern werden in [4] im Kapitel „Warmwasserversorgung - Berechnung der Wasser-Erwärmungsanlagen-Speicherinhalt“ die erforderlichen Zuschläge für Wärmeverluste eines Speichers und der Rohrleitungen, sowie aufgrund von Verkalkung bei zylindrischen Speicherbauarten wie folgt angegeben:

Dort wird auch gefordert, dass Speicher mit einer Wärmedämmung versehen sein sollte und der Wärmeverlust über 24 Stunden wie folgt begrenzt sein sollte:

mit Q: Wärmeverlust in kWh
V: Speicherinhalt in l

Dies erfordert meist eine Dämmschichtdicke von 50 ... 80 mm.

Eisspeicher

[3] gibt für einen Eisspeicher mit sog. „externer“ Schmelze und –6°C/-2°C (VL/RL) im Ladebetrieb, folgende Daten an:

Maximale Ladeleistung (–6°C/-2°C (VL/RL)

0,0889 kW/kWhinstallierte Kapazität

Maximale Entladeleistung (6°C/12°C)

0,3333 kW/kWhinstallierte Kapazität

Speicherverlust

0,03 kW/kWhinstallierte Kapazität * d

Elektrischer Leistungsbedarf

0,0046 kW/kWhinstallierte Kapazität * d

Literatur

[1] Drück, Hahne: Kombispeicher auf dem Prüfstand, OTTI – 8. Symposium Thermische Solarenergie 13.05. – 15.05.1998
[2] Hüttmann: Marktübersicht Solarspeicher, solid gGmbH – gemeinnütziges Solarenergie Informations- und Demonstrationszentrum, Fürth, 2002 (www.solid.de)
[3] Klein: Einsparung an Primärenergie und Minderung von CO2-Emissionen durch die Integration thermisch angetriebener Kältemaschinen in die Kraft-Wärme-Kopplung am Beispiel ausgewählter Objekte, VDI-Fortschritt-Berichte, Reihe 19: Nr. 123, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2000, ISSN 0178-9465
[4] Recknagel, Sprenger, Schramek: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik 2003. Einschließlich Warmwasser- und Kältetechnik, Oldenbourg Verlag, München, 2003