Funktionsweise von Wärmespeichern
Mit dem zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energien gewinnen thermische Wärmespeicher immer mehr an Bedeutung. Sie helfen, Schwankungen in der Energieerzeugung auszugleichen und erneuerbare Wärme zu nutzen. In Verbindung mit Solarthermie kann so vergleichsweise kosteneffizient Wärme auch nachts oder bis in den Winter hinein Wärme bereitgestellt werden. Je nach Speicherprinzip und Speicherdauer kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz.
Allgemein können die verschiedenen Wärmespeichertechnologien in folgende Kategorien eingeteilt werden:
- Sensible Wärmespeicher
- Latente Wärmespeicher (Phasenwechselspeicher)
- Thermochemische Wärmespeicher
Sensible Wärmespeicher zählen zu den am weitesten verbreiteten und kommerziell etablierten Wärmespeichertechnologien. Bei sensiblen Speichern führt die Zufuhr an Energie zu einer messbaren Erhöhung der Temperatur. Die speicherbare Wärmemenge hängt dabei von der spezifischen Wärmekapazität des Speichermaterials, seiner Masse sowie der Temperaturdifferenz ab. Wasser besitzt beispielsweise eine hohe spezifische Wärmekapazität und eignet sich deshalb besonders gut für Wärmespeicher im niedrigen und mittleren Temperaturbereich. Für höhere Temperaturen werden Feststoffe wie beispielsweise Beton eingesetzt. Bei der Entladung wird dem Speichermedium die Wärme entzogen und die Temperatur des Mediums sinkt fühlbar.
Latentwärmespeicher speichern neben der fühlbaren (sensiblen) Wärme auch die latente Wärme. Als Speichermaterial kommen sogenannte Phasenwechselmaterialien zum Einsatz, wie zum Beispiel Paraffine, Salzhydrate und Fettsäuren. Beim Beladen des Speichers wird dem Phasenwechselmaterial Wärme zugeführt. Abhängig von den Eigenschaften des Speichermaterials führt die Wärmezufuhr zu einem Phasenübergang, wobei ein großer Teil der zugeführten Energie als latente Wärme gespeichert wird, ohne dass sich die Temperatur des Materials wesentlich verändert. Beim Entladen wird dem Speichermaterial die Wärme entzogen, wodurch der Phasenübergang nun umgekehrt einsetzt. Die zuvor gespeicherte latente Energie wird genutzt. Der Phasenwechselspeicher hat den Vorteil einer hohen Energiedichte.
Thermochemische Energiespeicher basieren auf reversiblen chemischen Reaktionen, bei denen thermische Energie in Form chemischer Bindungsenergie gespeichert wird. Durch die Zuführung von Wärme reagieren Edukte und werden in Reaktionsprodukte überführt. Bei der Entladung des Speichers werden die Produkte durch eine exotherme Rückreaktion wieder in ihre ursprünglichen Edukte umgewandelt, wobei die zuvor zugeführte Reaktionsenthalpie in Form von Wärme freigesetzt wird. Ein typisches Beispiel ist die Wasserbindung (Hydration) von Salzen. Diese Speichertechnologie ermöglicht nahezu verlustfreie Wärmespeicherung bei vergleichsweise hoher Energiedichte.