Saisonalspeicher

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Ein Saisonalspeicher bzw. saisonaler Wärmespeicher oder Jahreszeitspeicher (englisch seasonal thermal energy storage (STES)[1]) ist ein Langzeitspeicher thermischer Energie einer saisonalen Wärmespeicherheizung, oft für eine Solaranlage. Damit kann der Anteil von regenerativer Energie signifikant erhöht werden.

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sie sind so groß, dass sie Wärme aus der warmen Jahreszeit speichern können und damit gut isolierte Häuser in der kalten Jahreszeit weitgehend oder sogar vollständig mit gespeicherter Energie beheizen oder eventuell auch kühlen können. Meist wird ein solarer Energieüberschuss vom Sommer im Winter zu Heizzwecken verwendet und so können mehrere Wochen bis Monate je nach Witterungsbedingungen und Ladezustand überbrückt werden.[2] Bei zu Heizzwecken verwendeten Speichern erfolgt die Beladung bei sonnigem Wetter und während des Sommers, die Entladung bei Schlechtwetter und zur kalten Jahreszeit. Sie werden in Zukunft eine bedeutende Rolle in der solaren Infrastruktur einnehmen.[1] Bei sehr hohen solaren Deckungsgraden steigen die Kosten für die Speicherung für noch höhere Werte überproportional, da dann die Speichergröße immer weniger optimal genutzt werden kann. Die Dimensionierung von Saisonalspeichern reicht von einer Versorgung für ein Einfamilienhaus bis hin zu Großspeichern zur Versorgung von Wohngegenden mit einem Nahwärmenetz beziehungsweise Fernwärmenetz.

Speichertypen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Verschiedene Speichertypen:[3][4]

  • Behälter-Wärmespeicher
  • Erdbecken-Wärmespeicher, zum Beispiel als Kies/Wasser-Wärmespeicher
  • Erdsonden-Wärmespeicher, bis zu 100 Meter tief
  • Aquifer-Wärmespeicher

Behälter-Wärmespeicher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der gängigste Typ für Ein- und Mehrfamilienhäuser sind Warmwassertanks als Schichtladespeicher, diese Technik kommt oft bei sogenannten Sonnenhäusern zum Einsatz. In Verbindung mit einer großen Sonnenkollektorenfläche können damit hohe solare Deckungsgrade erreicht werden. Diese Wassertanks können wegen ihrer Größe nur in Neubauten eingebaut werden, oder es werden Erdtanks außerhalb von Gebäuden verwendet. In kälteren Klimazonen haben Speicher innerhalb der Gebäudehülle den Vorteil, dass alle Wärmeverluste des Speichers dem Gebäude zugutekommen. Je nach Hausgröße, Rahmenbedingungen und Ziel haben die Speicher in Einfamilienhäusern etwa 10 bis 50 Kubikmeter[5] und sind mit einer 20 bis 40 cm dicken Wärmedämmung isoliert. Wenn ein Gebäude eine größere Treppenanlage erhalten soll, kann der Langzeitspeicher oft ohne großen Flächenverlust im Treppenaufgang integriert werden.

Verhältnis von Volumen zu Oberfläche

Allgemein gilt für Körper (A/V-Verhältnis): Wenn man die Kantenlänge eines Quaders verdoppelt, vervierfacht sich seine Fläche (allgemeinsprachlich: Oberfläche; also die Grenzfläche zwischen kalt und warm); sein Volumen aber verachtfacht sich. Große Körper haben deshalb eine (für Wärmespeicherung) günstigere Relation von Volumen zu Oberfläche:

(beim Würfel = )

(Würfel: )

Das gilt auch für Zylinder: Wenn man seinen Durchmesser und seine Höhe verdoppelt, verachtfacht sich sein Volumen. Auch wenn man den Durchmesser einer Kugel verdoppelt, verachtfacht sich ihr Volumen. Eine Kugel hat das größte Verhältnis von Volumen zu Oberfläche aller geometrischen Körper.

Erdbecken-Wärmespeicher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diese gibt es auch ohne nennenswerte Dämmung zum Untergrund, nur mit einer stabilen Folie abgedichtet. Entweder oben mit einer mehrstufigen schwimmenden Isolierung, wobei Regenwasser abgepumpt wird oder er ist allseits mit Beton ummantelt. Die Beckenform kann ein umgekehrter Kegelstumpf, Pyramidenstumpf oder quaderförmig sein.[6] Dieser eher größere Speichertyp kann je nach Größe komplette Solarsiedlungen mit Wärme versorgen. Sie werden entweder als Wasserspeicher oder als Kies-Wasserspeicher gebaut. Der Kies-Wasserspeicher hat bei gleichen Ausmaßen eine geringere Speicherkapazität, im Gegensatz zu reinen Wasserspeichern, weil Wasser eine höhere Wärmespeicherkapazität hat als Kies. Der Temperaturaustausch erfolgt über integrierte Brunnensysteme bzw. indirekt über Wärmetauscher.

Erdsonden-Wärmespeicher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Dabei wird über Bohrlöcher der Untergrund, wie Gesteinsschichten oder Erdreich erwärmt. Die Wärme kann je nach Bedarf über die Bohrlöcher mithilfe einer Wärmepumpe wieder zurückgewonnen werden. Die Bohrungen sind entweder senkrecht oder verlaufen schräg in die Tiefe. Nicht jeder Untergrund ist gleich gut dafür geeignet und es auch gibt völlig ungeeignete lokale Gegebenheiten.

Aquifer-Wärmespeicher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unter günstigen hydrogeologischen Standortbedingungen kann ein sogenannter Aquifer, also ein Grundwasserleiter zur Wärmespeicherung genutzt werden. Hierfür werden manchmal zwei Brunnen verwendet, die je nach Jahreszeit entweder Wärme oder Kälte liefern bzw. speichern. Diese beiden Brunnen sind dabei in einem bestimmten Abstand versetzt angeordnet.

Weitere Typen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Alternativ kann man ein massives Fundament durch thermische Bauteilaktivierung als Speichermasse nutzen. Diese wird auf etwa 30 °C erwärmt.

Saisonaler Ausgleich im Stromnetz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Um einen Ausgleich im Falle einer sogenannten Dunkelflaute im Stromnetz zu schaffen, wäre es möglich, einen im Sommer regenerativ generierten Energieüberschuss, durch Power-to-Gas in Wasserstoff umzuwandeln und zu speichern. Dieser Vorrat könnte dann in der kälteren Jahreshälfte als Energiespeicher für viele Zwecke dienen, dafür nötig wäre ein Ausbau der Wasserstoffwirtschaft und ein Ausbau der Sektorkopplung zur verbesserten, enger vernetzen Umwandlung der Energie zwischen Bereichen Stromnetz, Haushalten, Mobilität und Industrie.

Der Power-to-Gas Ansatz zur saisonalen Speicherung, in Verbindung mit Photovoltaik gibt es auch schon zur Gebäudeheizung. Dabei werden Überschüsse aus der warmen Jahreszeit, mithilfe einer Brennstoffzelle im Winter verwertet.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Speichervorgänge im Umfeld vertikaler Erdsonden von Wärmepumpen. In: Heizung Lüftung/Klima Haustechnik (HLH) Nr. 1/2015, S. 19–23
  • Kapitel 8.3. Saisonale Wärmespeicher. In: Solare Wärme für große Gebäude und Wohnsiedlungen, Fraunhofer IRB, Stuttgart, ISBN 978-3-8167-8752-5, S. 93–94
  • Kapitel 13.2.1.3. Saisonale Wärmespeicher für große Solaranlagen. In: M. Sterner, I. Stadler (Hrsg.): Energiespeicher – Bedarf, Technologie, Integration, 2. Auflage 2017, ISBN 978-3-662-48892-8, S. 740–744; in erster Auflage des Buches auf S. 677–680
  • Silke Köhler, Frank Kabus, Ernst Huenges: Wärme auf Abruf: Saisonale Speicherung thermischer Energie. In: T. Bührke, R. Wengenmayr (Hrsg.): Erneuerbare Energie: Konzepte für die Energiewende, 3. Auflage, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, ISBN 978-3-527-41108-5, S. 133–139
  • Jens-Peter Meyer: Saisonale Speicher: Vorrang für die Sonne. In: Sonne Wind & Wärme Nr. 4/2018, S. 69–71
  • M. Schmuck: Wirtschaftliche Umsetzbarkeit saisonaler Wärmespeicher, expert Verlag, 2017, ISBN 978-3-8169-3398-4
  • H. Weik: Expert Praxislexikon: Sonnenenergie und solare Techniken, 2. überarbeitete Auflage von 2006, expert Verlag, ISBN 978-3-8169-2538-5:
    • Aquifer-Speicher, S. 16
    • Erdbeckenwärmespeicher, S. 98
    • Langzeitspeicher, S. 175–176
  • TZS: Saisonale Wärmespeicher. In: Solare Wärme: Das Solarthermie-Jahrbuch 2019, Herausgeber: Solar Promotion GmbH, vom 27. Februar 2019, S. 112

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Goran Mijic: Solar Energy and Technology, Volume 2, De Gruyter, 2018, ISBN 978-3-11-047577-7, S. 658
  2. M. Schmuck: Wirtschaftliche Umsetzbarkeit saisonaler Wärmespeicher, expert Verlag, 2017; im Beschreibungstext auf der Buchrückseite und auch auf Seite 8 unten
  3. M. Schmuck: Wirtschaftliche Umsetzbarkeit saisonaler Wärmespeicher, expert Verlag, 2017, S. 9
  4. Solare Wärme für große Gebäude und Wohnsiedlungen, Fraunhofer IRB, Stuttgart, ISBN 978-3-8167-8752-5, S. 93–94
  5. Handbuch der Gebäudetechnik: Planungsgrundlagen und Beispiele, Band 2, Bundesanzeiger Verlag, 9. Auflage von 2016, ISBN 978-3-8462-0589-1, S. H 170
  6. T. Urbanek: Kältespeicher: Grundlagen, Technik, Anwendungen, Oldenburg Verlag, München 2012, ISBN 978-3-486-70776-2, S. 253