Bunker-Energietechnik: Wärmespeicher

Nachdem im Januar in die Technik der Wärmepumpen eingeführt wurde, werden in diesem Teil der Reihe „Erklärung Bunker-Energietechnik“ Wärmespeicher vorgestellt. 

Die Luft-Wärmepumpe, die im KEBAP verbaut werden soll, erzeugt tagsüber relativ konstant Wärmeenergie, im Sommer bei lauen Temperaturen auch in der Nacht. Noch konstanter, weil unabhängig von Tages- und Nachtzeiten ist die Wärmeproduktion der geplanten Grundwasser-Wärmepumpe. Der Wärmebedarf dagegen schwankt stark über den Tagesverlauf hinweg, vor allem tagsüber wird deutlich mehr Wärme benötigt als nachts. Ein Wärmespeicher kann für einen (besseren) Ausgleich zwischen Erzeugung und Bedarf sorgen: in Zeiten niedriger Nachfrage nimmt er Wärme auf und gibt diese wieder ab, wenn mehr Wärme benötigt wird; z.B. am Morgen, wenn viele Menschen gleichzeitig warm duschen möchten. Durch die Streckung des Wärmebedarfs kann die Nutzung der erneuerbaren Energien deutlich optimiert und der nicht erneuerbare Anteil an der Wärmeerzeugung reduziert werden. 

Der Wärmespeicher wird eine der größten zu verbauenden Anlagenteile des KEBAP Anlagenkonzepts werden.

Wärmespeicher lassen sich je nach Speicherprinzip und verwendetem Speichermedium in mehrere Gruppen einteilen: Die Prinzipien sind latente Wärmespeicherung (Phasenwechselspeicher, also Schmelzen bzw. Verdampfen eines Mediums) oder sensible Wärmespeicherung (Speicherung über Temperaturänderung des Mediums). Die verwendeten Medien sind Flüssigkeiten (Wasser, Öl, Salzschmelzen) oder Feststoffe (Beton, Gestein, Metalle).

Im Folgenden stelle ich drei mögliche Konzepte vor, die auch im KEBAP zum Einsatz kommen könnten und deren Eignung geprüft wird.

Flüssigspeicher
In Flüssig-Wärmespeichern wird ein erwärmtes flüssiges Medium, z.B. warmes Wasser bei geringem Druck in einem großen, isolierten Behälter, ähnlich einer großen Thermoskanne gespeichert, um den Wärmeverlust in die Umgebung zu verringern. Beispiel: Im Energiebunker Wilhelmsburg wurde ein großer Warmwasserspeicher mit einer Kapazität von 2000 m3 verbaut (s. Abb. 1). Dieser speichert das über Photovoltaik und Solarthermie erwärmte Wasser ein. Flüssigspeicher sind im grundsätzlich in der Anschaffung und im Betrieb relativ günstig, da sie technisch einfacher ausgeführt sind als andere Bauarten. Dafür bauchen Sie aber im Vergleich zu anderen Speicherarten mehr Platz. Für das KEBAP würde dies bedeuten, daß für den Einbau mehrere Zwischendecken entfernt werden müßten, um den Speicher im Bunker aufzustellen.

Abbildung 1: Warmwasserspeicher Energiebunker Wilhelmsburg (“Energiebunker-Wilhelmsburg-397-0023-hinnerk-ruemenapf” by Hinnerk Rümenapf (Hinnerk R) is licensed under CC BY-SA 4.0. To view a copy of this license, visit https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/?) 

Feststoffspeicher
Es besteht die Möglichkeit, Wärmeenergie in Feststoffen wie Metall, Gestein oder Beton einzuspeichern. Hierbei wird das Speichermedium von einem Wärmeträgermedium durchströmt, das Material nimmt temporär Wärmeenergie auf und kann sie bei Bedarf wieder an das Wärmeträgermedium abgeben. Beispiel: Im Pilotprojekt von Siemens Gamesa und u.a. der TU Hamburg im Hamburger Hafen wurde ein Wärmespeicher erprobt. In diesem wird mittels Strom, ähnlich eines großen Heißluftföhns, Luft erwärmt und damit aufgeschichtetes, poröses Vulkangestein auf eine Temperatur von bis zu 750°C erhitzt. Die gespeicherte Wärme in diesem Pilotprojekt kann zu einem späteren Zeitpunkt über eine Turbine zurück in elektrische Energie konvertiert werden. Im Kebap würde die Wärme vor allem direkt zur Warmwassererzeugung verwendet werden.

Ein solcher Feststoffspeicher hat durch die hohen Temperaturen eine höhere Speicherkapazität, ist jedoch auch deutlich teurer in der Anschaffung und komplexer im Betrieb. Ein solcher Speicher lohnt sich daher in der Regel nur beim Einsatz von Hoch-Temperatur Abwärme. Diese kommt im KEBAP Konzept aber nicht bzw. nur sehr beschränkt vor.

Latentwärmespeicher
Latentwärmespeicher speichern die latente Wärme von Materialien, die bei einem Phasenübergang, wie dem Schmelzen oder Erstarren, freigesetzt oder aufgenommen wird. In Latentwärmespeichern kommen Wärmeträgermedien zum Einsatz, die besonders viel Latentwärme in einem gegebenen Temperaturbereich speichern können, z. B. Paraffine, Salze und sogenannte Phase Change Materials (PCM).

Ein Beispiel für Latentwärme ist auch das Schmelzen oder Erstarren von Wasser. Bei 0 Grad Celsius beginnt das Eis zu schmelzen, und das flüssige Wasser bleibt auf dieser Temperatur, bis das gesamte Eis geschmolzen ist. Während dieses Prozesses wird eine große Menge an Wärmeenergie freigesetzt, die als latente Wärme bezeichnet wird. Das bedeutet, dass die Temperatur des Wassers während des Schmelzprozesses konstant bleibt, da die Wärmeenergie, die vom Eis aufgenommen wird, in Form von Latentwärme gespeichert wird.

Umgekehrt wird beim Erstarren von Wasser die gleich große Menge an Wärmeenergie freigesetzt, wenn das flüssige Wasser zu Eis wird. Der Prozess ist also vollkommen reversibel. “Eisspeicher” spielen daher immer öfter bei Neubauprojekten eine Rolle, wo diese unterirdisch angelegt werden können. Da beim KEBAP aber keine entsprechende Freifläche vorliegt, können wir diese Speicherart nicht nutzen.

Deshalb können Latent-Wärmespeicher auch kompakter ausgelegt werden. Daher prüft KEBAP den möglichen Einsatz des Systems der Firma PCM Energy in Form von Containern, in denen das Speichermedium untergebracht ist. Die Container könnten außerhalb des Bunkers an der Bunkerwand aufgestapelt werden. Das könnte bedeuten, dass man in der KEBAP Energiezentrale auf teure bauliche Maßnahmen (Deckendurchbrüche bei Erhaltung der Statik, etc.) verzichten kann.