Energiespeicher – Der Drehpunkt für Energie-effiziente Systeme

Energiespeicher – Der Drehpunkt für Energie-effiziente System

Energieeffizienz der Wärmeerzeuger

Viele Heizsysteme versprechen große Einsparungen: Erdwärme, Solarwärme, Holzpellets sind erneuerbare Energieträger, die uns kostenfrei oder sehr billig zur Verfügung stehen. Anlagentechnik ist vorhanden in Form von Wärmepumpen, Solarkollektoren und effizienten Pelletkesseln. Vernachlässigt wird jedoch oft die Bedeutung der Speicher für die Effizienz des Gesamtsystems.

Wärmeerzeugung und Wärmenutzung treffen nicht immer genau zusammen. Beispiele für Diskontinuitäten:

Ein Kessel benötigt Anlaufzeit für den Verbrennungsprozess. Für Pelletkessel gilt ein „Grundzyklus“, der im Allgemeinen etwa eine halbe Stunde lang ist. Dies ist die Zeit, die der Kessel mindestens „am Stück“ arbeiten muss.
Da die Leistung der Kessel auf die maximale Heizlast ausgelegt ist und nur in begrenzten Bereichen variabel ist, passen Wärmeabnahme des Gebäudes und Erzeugung des Kessels nicht zusammen. Er sollte jedoch auch nicht allzu oft an- und ausschalten müssen.
Eine Wärmepumpe ist noch empfindlicher gegen Takten, wobei hier ein Kompressor arbeitet und kein Verbrennungsprozess stattfindet. Es gibt Stromversorger, die sich vorbehalten, den Wärmepumpenstrom zwischenzeitlich mehrere Stunden abschalten zu dürfen. In dieser Zeit läuft die Wärmepumpe gar nicht.
Solarwärme steht generell nur tagsüber zur Verfügung und das vorwiegend im Sommer, wenn das Haus keine Keizung mehr sondern nur noch Warmwasser benötigt.

Wärmespeicher

Um die Zeiten mit geringer oder ohne Produktion – aber bestehendem Wärmebedarf – zu überbrücken, werden verschiedenartige Speicher eingesetzt.

Für kurzzeitige Überbrückung bis zu einigen Stunden genügen Pufferspeicher mit kleinem Volumen. In ihnen findet eine derart starke Durchmischung des Heizungswassers statt, dass nur eine Mischtemperatur nutzbar ist. So reicht z.B. in einem Haus mit einer Heizlast von 7 kW ein Speicher von 300 l ungefähr für die Überbrückung von 1 Stunde bei einem nutzbaren Temperaturniveau von 60-40°C.

Für die Überbrückung der Nacht, wenn nur tagsüber Wärme erzeugt werden kann, oder wenn ein handbeschickter, in die Hydraulik mit eingebundener Ofen die einzige Wärmequelle darstellt, sind die Anforderungen bereits höher. Bei der gleichen Heizlast von 7 kW müsste für den Auslegungsfall ein Speicher mit rund 100 kWh zur Verfügung stehen. In einem Speicher, der das Rücklaufwasser mit dem Speicherwasser stark durchmischt, wäre ein Volumen von etwa 5 m³ erforderlich. Das ist kaum unterzubringen, wäre es doch bei Raumhöhe ein Fass von fast 2 Metern Durchmesser (mit Dämmung). Man nutzt daher sogenannte Schichtenspeicher, in denen das Wasser entsprechend seiner Temperatur eingelagert wird. Das heißeste Wasser ist oben, weil es spezifisch leichter ist als das kälteste, das sich daher am Grund sammeln soll. So kann das Rücklaufwasser mit niederer Temperatur unten eingespeist werden, und oben bleibt die Temperatur für den Vorlauf auf hohem Niveau. So kann der Speicher deutlich kleiner ausgelegt werden.

Komplexe Systeme

Diese Art der Speicherung wird auch gewählt, wenn Wärme aus unterschiedlichen Quellen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in einem Speicher gesammelt werden soll. Entsprechend der Temperatur muss höher oder tiefer eingespeist werden. Nebenstehende Grafik der Firma (Stiebel-Eltron) stellt ein Heizsystem dar, in dem eine Erdwärmepumpe, ein Scheitholz-Vergaser-Kessel und eine Solaranlage als Wärmeerzeuger fungieren, die ihre Wärme in einen kollektiven, zentralen Speicher einspeisen. Der Speicher selber enthält Heizungswasser als Wärmeträger. In einem Durchlaufverfahren wird darin auch Trinkwasser zum Duschen, Baden etc. erwärmt. Mit verschiedenen Mischerkreisen werden zwei Heizkreise versorgt. Gäbe es einen Kreis mit Fußbodenheizung und einen mit Standardheizkörpern, dann ließe sich die Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus, also Höhen, entnehmen und das Rücklaufwasser entsprechend zurück führen.

Der Sinn einer derart komplexen Speicheranlage ist es

Obwohl Energie an sich nicht verschwinden kann (1. Hauptsatz der Thermodynamik: In einem geschlossenen System ist die Summe von Energie und Masse immer konstant) so ist doch die Arbeitsfähigkeit je nach Niveau größer oder kleiner. Hierfür wurde auch der Begriff Exergie gefunden. Mit Exergie wird der Teil der Energie bezeichnet, der für andere Zwecke und sozusagen ohne Aufwand entnommen werden kann. Z.B. kann man seine Hand an eine warme Teetasse halten und entnimmt dabei Wärme in die Hände, weil diese ein geringeres Temperaturniveau haben. Es existiert ein Temperaturgefälle, das als Antrieb für die Wärme erforderlich ist. Es ist unmittelbar einsichtig, dass sich der Energieinhalt der Teetasse nicht verändert, wenn wir sie an einen anderen Ort stellen. Nun stellen wir die Tasse in einen Kochtopf mit Wasser, das genauso heiß ist, wie der Tee in der Tasse. Was passiert? Richtig: Nichts! In dieser Umgebung ist der Energieinhalt der Teetasse nicht mehr nutzbar. Es ist keine Exergie mehr vorhanden. Die immer noch vorhandene Wärme heißt nun Anergie.

Optimierte Speichernutzung

Zurück zum Speicher: Je höher das Temperaturniveau eines Volumens des Heizungswassers ist, desto mehr können wir damit anfangen. Und wenn die Solaranlage mit 90°C einspeist, dann sollten wir diese 90°C versuchen zu halten. Käme nun gleichzeitig aus der Wärmepumpe ein gleich großer Volumenstrom mit 40°C dann würden sich die beiden zu 65°C vermischen. Speichern wir aber in unterschiedlichen Niveaus ein, dann liegen diese Wasservolumina übereinander, ohne sich sofort zu vermischen. Dann können wir auch verschiedene Temperaturen entnehmen. Z.B. ist es aus hygienischen Gründen erwünscht, dass das Trinkwarmwasser hoch erhitzt wird, denn dabei sterben die meisten Mikroben ab. Für den Heizkörperkreis wird ein Temperaturniveau von z.B. 50°C gebraucht, während der Rücklauf vielleicht 40°C hat. Der Fußbodenkreis braucht z.B. nur 40°C und liefert mit 25°C zurück. Man könnte auf die Idee kommen, den Vorlauf des Fußbodenkreises an den Rücklauf des Heizkörperkreises anzuschließen. Das tut man aber besser nicht, weil die Wärmemengen und Volumenströme in aller Regel nicht zusammen passen und besser getrennt geregelt werden. Also zurück in den zentralen Wärmespeicher.

Und damit zeigt sich noch eine wichtige Funktion des Speichers: Die hydraulische Trennung. Jeder Erzeugerkreis und jeder Verbraucherkreis kann unabhängig von den anderen arbeiten. Das macht die Angelegenheit überhaupt regelbar. Natürlich braucht so jeder Kreis seine eigene Pumpe. In obigem Beispiel gibt es mindestens sechs Pumpen (Solekreis, Ladepumpe der Wärmepumpe, Umwälzpumpen der zwei Heizkreise, Solarpumpe, Ladepumpe des Feststoffkessels). Knappe 2.000 Euro sind hier also allein für Pumpen verbaut. Um diese Kosten zu sparen, werden dann manchmal zweit- oder drittbeste Lösungen ohne hydraulische Trennung realisiert. Darunter leiden Regelbarkeit, Systemstabilität und Effizienz.

Langzeitspeicher

Wenn im Sommer für den Winter gesammelt werden soll, dann sind noch deutlich größere Speicher erforderlich. Das Beispielhaus hat eine Heizlast von 7 kW und einen Heizwärmebedarf von 5.000 kWh, sowie einen Warmwasserbedarf von 3.000 kWh. Der Warmwasserverbrauch findet über das Jahr gesehen kontinuierlich statt. Die Wärmesammlung geschieht von März bis September nahezu ohne Verbrauch, während die Nachlieferung im Winterhalbjahr nur gering ist. So muss der Speicher eine Kapazität von etwa 4.000 kWh haben. Mit einem gut schichtenden Heizungswasserspeicher wäre ein Volumen von mindestens 75 m³ erforderlich.

Interessante Ansätze für Langzeitspeicher gibt es mit Phasenwechselspeichern und thermochemischen Speichern. Als Phasenwechselmaterialien in Latentwärmespeichern kommen insbesondere Salze zum Einsatz. Das Salz nimmt beim Schmelzen, ohne sonderliche Temperaturerhöhung sehr viel Wärme auf und gibt diese beim Erstarren wieder ab. Je nach Einsatzzweck können also bestimmte Salze oder Paraffinmischungen verwendet werden, deren Schmelzpunkt dem geforderten Temperaturniveau entspricht. Für industrielle Anwendungen und Solarkraftwerke werden vom DLR derzeit thermochemische Verfahren untersucht. Als sehr einfachen Ansatzpunkt verwendet man Kalziumhydroxid, das unter Hitze (600°C) Wasserdampf abgibt und zu Kalziumoxid wird. Der entstehende Branntkalk kann anschließend kalt gelagert werden, gibt also irgendwann keine Wärme mehr ab.

Um den thermochemischen Speicher zu nutzen, wird kontrolliert wieder Wasser(dampf) zugeführt. Dabei entsteht wieder Wärme, die genutzt werden kann. Diese Art Speicher ist also besonders als Langzeitspeicher und für hohe Temperaturen interessant. Die Energiedichte ist dabei ungefähr fünf Mal so hoch wie bei der Erhitzung und Abkühlung von Wasser um 50 Kelvin. Allerdings ist bislang die Effizienz des Prozesses nicht besonders gut. Das Verfahren bietet sich also besonders da an, wo sehr große Energiemengen zeitweise billig zur Verfügung stehen.

Zu kleine Speicher?

Die oben genannten Zahlen verdeutlichen, warum Speicher selten ausreichend groß eingebaut werden. Es wird ein Kompromiss gefunden aus Pufferwirkung bzw. mittelfristiger Speicherung und Anlagenkosten. Dies geht nahezu immer auf Kosten der Anlageneffizienz. Warum?

Was geschieht, wenn der Speicher leer ist? Es steht keine Wärme mehr aus dem Speicher zur Verfügung, während das Gebäude weiterhin Wärme benötigt. Entweder das Haus wird unbewohnbar, weil es einfriert, oder es gibt eine weitere Wärmequelle. Im Fall von Pufferspeichern laufen Kessel oder Wärmepumpe an und liefern die benötigte Wärme in das Heizsystem und füllen den Speicher wieder. Im Fall des Nachtspeichers müsste ein Reservekessel oder ein elektrischer Heizstab die fehlende Wärme nachliefern. Wenn dies nur in ein oder zwei Nächten im Jahr geschieht, wäre der Verlust zu verschmerzen, passiert das jedoch häufiger, dann ist das Konzept falsch.

Im Fall eines leeren Saisonspeichers vor Ende der Heizperiode wäre die Lage dagegen dramatischer. Eventuell für mehrere Wochen wäre ein Zuheizen erforderlich.

Energiespeicher ist Mittelpunkt der Anlage

Viel ließe sich noch über Speicher, ihre Funktion, Arten von Speichern, Speichermedien und über die Regelung schreiben. Das ist jedoch sehr spezifisches Fachwissen, das in die entsprechenden Fachbücher gehört. Meine Absicht war auch mehr, hier eine Sensibilisierung für die Wichtigkeit dieses Themas zu erreichen. Sowohl als Bauherr, als Planer oder Installateur einer Heizungsanlage jeglicher Größenordnung muss das Thema der Energiespeicher im Mittelpunkt stehen. Und das meine ich wörtlich. Der Speicher ist der Mittelpunkt der Anlage, der schicke Heizkörper im Badezimmer ist dagegen Peripherie, genauso wie die verwendeten Wärmeerzeuger. Nutzen Sie die Effizienzpotenziale, die Ihnen gut ausgelegte Speicher bieten. Und nutzen Sie Planer, die verstehen, was sie tun.