Thermischer Speicher

Thermische Energiespeicher können eingesetzt werden, wenn das Angebot an Wärme oder Kälte zeitlich nicht mit der Nachfrage übereinstimmt. .Bei einem thermischen Speicher wird immer das Produkt: Wärme oder Kälte gespeichert. Die gespeicherte Energie kann nicht in elektrische Energie oder Brennstoff zurückgewandelt werden. Hierbei wird die gespeicherte Energie nicht zu elektrischer Energie zurückgewandelt, sondern sie wird direkt als thermische Energie genutzt. Typische Einsatzgebiete sind die solare Wärmeerzeugung, die Abwärmenutzung, Kraft-Wärme-Kopplung sowie die Kältespeicherung.

Sensible Speicher

Bei sensiblen Wärmespeichern wird die thermische Energie aufgrund der Temperaturänderung eines Materials wie z. B. Wasser oder Beton gespeichert. Die Speicherung unter Verwendung von Wasser als Speichermedium ist die am häufigsten genutzte Form der Wärmespeicherung. Entsprechende Wärmespeicher sind marktverfügbar und sind Stand der Technik auf diesem Gebiet. Diese Form der Speicherung ist kostengünstig und kann als weitgehend umweltneutral betrachtet werden. Es tritt Selbstentladung auf.

Bei Einsatz in höheren Temperaturbereichen über 150 °C werden auch Aluminiumoxid-, Salz-, Sand- oder Betonspeicher als Speichermedien eingesetzt. Es existiert ein wachsender Bedarf an geeigneten Speichermedien für diesen Temperaturbereich. Der wachsende Bedarf wird durch Solarwärme-Anwendungen sowie die mögliche Nutzung von Hochtemperaturabwärme hervorgerufen. Diese Anwendungen haben bislang Demonstrationsstatus erreicht. Dabei können mit Aluminiumoxid-Speichern z. B. spezifische Speicherkapazitäten von 20-50 kWh/m³ erreicht werden. Auch Salzschmelzen werden derzeit sehr intensiv zur Energiespeicherung erforscht.

Für die Speicherung großer Wärmemengen werden bei sensiblen Wärmespeichern allerdings große Speichervolumina mit großen Mengen an Speichermedium benötigt, oder es müssen große Temperaturspreizungen zwischen Beladen und Entladen gefahren werden, um mehr Energie sensibel zu speichern.

Latentspeicher

Die Speicherung thermischer Energie erfolgt bei Latentwärmespeichern durch Phasenumwandlung eines Materials wie z. B. Paraffin, Eis oder Salzhydrate. Auf diese Weise kann bei geringer Temperaturänderung eine große Energiemenge gespeichert werden. Hier wird überwiegend der Phasenwechsel zwischen fester und flüssiger Phase genutzt.

Übliche Speicherkapazitäten liegen im Bereich der Phasenumwandlung für Paraffine bei bis zu 55 kWh/m³, für Eis bei 92 kWh/m³ und für Salz und Salzhydrate bei 120 kWh/m³. Bislang ist diese Speicherform mit Ausnahme von Eis- und Dampfspeichern kaum kommerziell verfügbar. Es tritt Selbstentladung auf. Problematisch ist die schlechtere Wärmeleitfähigkeit in der festen Phase im Vergleich zu der in flüssiger Phase.

Aktuelle Entwicklungs- und Demonstrationsprojekte laufen in den Bereichen Salzschmelzen für Hochtemperatureinsatz über 150 °C, Natrium-Acetat bei 58,5 °C und Phase-Change-Slurries im Bereich von 0 °C bis 50 °C. Weiterhin finden Untersuchungen mit Lithium-, Kalium- und Natriumnitrat und deren Mischungen für den Temperaturbereich zwischen 130 °C und 330 °C statt. In diesem hohen Temperaturbereich wird Graphit wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit als Wärmeleitmatrix eingesetzt.

Chemische Speicher

Bei chemischen Speichern wird die thermische Energie mittels einer reversiblen chemischen Reaktion gespeichert. Wärmespeicher, die den physikalischen Effekt der Adsorption nutzen, werden in der Literatur häufig zu den chemischen Wärmespeichern gezählt, wie beispielsweise Zeolith/Wasser etc. Die Adsorption ist allerdings kein chemischer Prozess. Chemische Wärmespeicher besitzen das Potenzial, hohe Energiedichten zu erreichen und ein breites Temperaturspektrum abzudecken. Auch über große Zeiträume hinweg kann so Wärme nahezu verlustfrei gespeichert werden.

Chemische Wärmespeicher bieten im Gegensatz zu sensiblen und latenten Wärmespeichermaterialien deutlich höhere Wärmespeicherkapazitäten. Dabei kann auch bei den chemischen Wärmespeichern die Aufnahme und die Abgabe der Energie bei gleichbleibendem Temperaturniveau erfolgen und die Selbstentladung vermieden werden. Mithilfe von Zeolithen können theoretisch bis zu 130 kWh/m³ gespeichert werden.

Als nachteilig werden die geringe Wärmeleistung und die aufwändige und teure Systemtechnik genannt. Diese ist erforderlich, um die Materialien effizient mit hoher Leistung zu be- und entladen.

Ziel der Forschung sind die Steigerung der Leistungsdichte, gezielte Optimierung des Prozesses und der Speichermaterialien sowie die Verwendung technischer statt hochreiner Materialien mit dem Ziel der Kostenreduzierung.

Englische Übersetzung(en):

thermal storage