Thermische Energiespeicher in der Gebäudetechnik

Für das Gelingen der Energiewende in Deutschland ist nicht nur die Steigerung der Energieeffizienz von besonderer Bedeutung, sondern auch die Senkung des Primärenergiebedarfs durch Wechsel von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energien. Gerade der Gebäudebereich kann dazu erhebliche Beiträge leisten. Dieser Paradigmenwechsel in der Energieversorgung von Gebäuden kann nicht ohne den Einsatz thermischer Speichern gelingen. Diese finden nicht nur Einsatz im Gebäude selbst, sondern sind auch in Nahwärmenetze eingebunden. Der Gebäudesektor bietet insgesamt ein enormes Energie- und Kosteneinsparpotenzial, das es in den kommenden Jahren verstärkt zu mobilisieren gilt. Den Fluss der Energie von der Exploration fossiler Brennstoffe bis zur Ankunft beim Nutzer im Gebäude zeigt Abb. 1.1. Er beginnt mit der Primärenergie. Darunter versteht man die Energie, die mit den natürlich vorkommenden Energieformen oder Energiequellen den Nutzern zur Verfügung steht. Dazu zählen die Brennstoffe wie Erdgas, Öl oder Kohle, aber auch Energieträger wie Sonne, Wind oder Geothermie fallen darunter.

Die thermische Energiespeicherung lässt sich, wie beschrieben, in sensible, latente und thermochemische Speicherungsmethoden unterteilen. Der Wärmeinhalt eines thermischen Speichers setzt sich daher aus dem sensiblen und wenn vorhanden aus dem latenten bzw. thermochemischen Anteil der Wärme zusammen.

Die Wirkungsweise von thermischen Speichern ist zentral mit dem Verständnis der Wärmeübertragung verknüpft. Die Wärmeübertragung erklärt die thermodynamische Funktionalität, die neben dem Wärmeinhalt und der Speicherdichte den Betrieb eines Speichers in einer thermischen Versorgungsanlage bestimmt. Die zeitliche Abhängigkeit der Nutzung eines Speichers durch begrenzte Be- und Entladungsvorgänge erweitern oder begrenzen dessen Einsatz in Verbindung mit erneuerbarer Energien. In diesem Kapitel wird nicht die Thermodynamik der Wärmeübertragung hergeleitet, sondern nur die Hauptaspekte referiert und zusammengefasst präsentiert, um das Verständnis der Belade- und Entladedynamik von Speichern zu erleichtern. An einem konkreten Beispiel wird dann in Abschn. 3.5 die Herangehensweise im Detail dargestellt.

Die Speicherung von thermischer Energie ist immer mit Verlusten von Energie verbunden [1]. Ein ständiger Wärmestrom, angetrieben durch das thermodynamische Potenzial, fließt von der Wärmequelle zur Wärmesenke bis ein stationärer Zustand erreicht ist. Abb. 4.1 zeigt die Isolation von Fernwärme-Rohrleitungen abgebildet, die unter dem Rhein in einem Düker verlegt wurden. Hier sieht man die klassische Isolation mit drahtbewehrten Steinwollmatten und zum Schutz ein außen aufgebrachtes verzinktes Blech.

Warmwasserspeicher in Gebäuden erfüllen, wie andere Speicher auch, die Funktion Erzeugung und Verbrauch voneinander zu trennen und gegebenenfalls erneuerbare Energiequellen in die Wärmeversorgung mit einzubeziehen. An dieser Stelle sollen die Betriebsarten und die Systemeinbindung in hydraulische Netze vorgestellt werden. Trotz des Ausbaus von erneuerbarer Energie und damit verbundene Wärmeerzeuger gibt es nach wie vor die klassische Version eines Heizkessels und eines Trinkwassererwärmers in kleineren Einheiten. Der Heizkessel sorgt für die Erwärmung des Trinkwassers, ohne den Speicher für die Raumheizung zu nutzen. Diese Betriebsweise wird als monovalent bezeichnet. Sind mehrere Wärmequellen bzw. Betriebsarten in einem Speicher vereint, so ist er mit zwei und mehr Wärmeübertragern ausgestattet. Diese Betriebsweise nennt man bivalent oder in komplexeren Ausführungen sogar multivalent. Abb. 5.1 zeigt verfügbare Speichersysteme für die Trinkwassererwärmung für kleinere Gebäudeeinheiten. Die einzelnen Speichervolumina sind dort den speziellen Wärmerzeugern zugeordnet.

Latentwärmespeicher werden nach einer ersten Entwicklungsphase in den USA der 30er- und 40er-Jahre [1] seit ca. 20 Jahren in Deutschland wieder stärker in den Fokus genommen. Zu Beginn der 90er-Jahre begann die DLR mit der Entwicklung von Verfahren zur besseren Nutzung der Solarenergie mit Latentwärmespeichern. Friedrich Lindner und Peter Tattermusch entwickelten einen Direktkontaktspeicher mit Wärmeträgeröl und Natriumacetat-Trihydrat (NA 58) in der Größenordnung von MWh, der 1995 zur Patentanmeldung führte (EP 0789214 A2). Scheffknecht [2] beschreibt 1988 die Besonderheiten des dynamischen Verhaltens von Latentwärmespeichern und Alfred Schneider entwickelt parallel dazu einen eigenen Speichertyp auf Basis NA 58 mit einem Fassungsvermögen von 750 Litern. Zur Wärmeübertragung nutzte er innen liegende Rippenrohre, Turbulenzpromotoren in den Rohren und speziell ausgeführte Bleche, um Unterkühlungseffekte zu vermeiden. Dieser Speichertyp wurde 1999 ebenfalls patentiert (EP 1098157 A2).

Die Beschreibung des physikalischen und chemischen Verhaltens von Phasenwechselmaterial beginnt mit den allgemeinen Grundlagen der physikalischen Chemie und setzt sich fort in den unterschiedlichsten Materialgruppen, die zahlreiche Autoren beschrieben haben [1–42]. Dazu kommt die Besonderheit der Unterkühlung bei Salzhydraten [43–50]. Der Einsatz, das Verhalten und die Anwendung von verkapseltem PCM und Slurries werden mittlerweile von einigen Autoren beschrieben [51–71]. Im weiteren Verlauf der Kapitel werden die Möglichkeiten einer verbesserten Wärmeübertragung bei Phasenwechselmaterialien in Kap. 8 vorgestellt [1–20]. Weiter werden die Erfordernisse im Hinblick auf Korrosion beim Einsatz von PCM in Kap. 9 diskutiert [1–12]. Danach finden sich unter den Literaturhinweisen in Kap. 11 die Latentwärmespeicher im konstruktiven Aufbau und in der Anwendung [1–25]. Dazu zählen auch die Speicher mit einer gleichrangigen Mischung aus sensiblen und latenten Anteilen, sogenannte Hybridspeicher [16–19]. Es folgen die Publikationen zur Wärmeübertragung in Latentwärmespeichern [20–44]. Ein wichtiges Kapitel zum Verständnis der dynamischen Funktionalität der Latentwärmespeicher. Nicht unerwähnt bleiben sollen die Messverfahren zur Ermittlung der Enthalpie für Phasenwechselmaterialien in Kap. 10 [1–5].

Die technische Weiterentwicklung der Speichertechnik mit Phasenwechselmaterialien war in den letzten Entwicklungsperioden auch immer von starken Bemühungen begleitet, die geringe Wärmeleitfähigkeit der Phasenwechselmaterialien durch Zusätze anderer Materialien zu erhöhen, da die Wärmeleitfähigkeit des Speichermaterials von außerordentlicher Bedeutung ist [1–23]. Es ist nicht trivial, die Wärme vom Wärmeübertrager zur kältesten Stelle im Speicher in einer angemessenen Geschwindigkeit zu transportieren. Dies wird thermodynamisch auch als Lade bzw. Entladedynamik bezeichnet. Der Transport geschieht in der Hauptsache durch Wärmekonvektion und Wärmeleitung. Im Fall von Flüssigkeiten wird die Wärmeübertragung durch die Konvektion unterstützt. Dort jedoch, wo ein Phasenwechsel stattfindet und das PCM erstarrt bzw. kristallisiert, bleibt die Wärmeübertragung auf die Wärmeleitung beschränkt. Da die Phasenwechselmaterialien eine schlechte Wärmeleitung besitzen, ist es in vielen Fällen erforderlich, die Entladedynamik durch Zusätze zum Phasenwechselmaterial zu verbessern.

Die Korrosion ist gemäß DIN EN ISO 8044 die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt. Sie führt zu einer Beeinträchtigung der Funktion des betroffenen Bauteiles. Diese Reaktion ist in der Regel elektrochemischen Ursprungs, in einigen Fällen kann sie allerdings auch durch chemische oder metallphysikalische Reaktionen ausgelöst werden.

Die Bestimmung der Schmelzenthalpie und der spezifischen Wärmekapazität insbesondere mit Materialmischungen bleibt unverzichtbar, um die Eigenschaften des Materials dem Wärme-/Kälteprozess anzupassen und Material entsprechend zu designen. Dazu wurden immer wieder die bekannten kalorimetrischen Methoden auf die Bestimmung von Schmelzenthalpien von PCM angewandt [1–6]. Ebenso erfolgt die Suche nach binären bzw. auch ternären Systemen unterschiedlicher Substanzen aufgrund fehlender theoretischer Modelle und damit verbundener Berechnungen immer noch experimentell. Es müssen neue Mischungen mit unterschiedlicher stöchiometrischer Zusammensetzung hergestellt und deren Schmelztemperatur und Enthalpie bestimmt werden. Erst dann kann entschieden werden, ob sie für den jeweiligen Einsatzfall geeignet sind. In Abb. 10.1 Ist der typische Verlauf der spezifischen Wärmekapazität während des Phasenwechsels zu sehen.

Der Wärmeinhalt von Latentwärmespeichern beruht im Wesentlichen auf vier verschiedenen Konzepten [13, 52]. Diese beruhen auf der indirekten Wärmeübertragung mit Rohren und Rippen sowie der direkten Umströmung von makroverkaseltem PCM. Darüber hinaus kann das PCM Bestandteil des Wärmeträgerfluids sein. Speicherausführungen, in denen das PCM direkt in Kontakt zum Wärmeträgerfluid kommt, sind erprobt worden. 

Die Nutzung von thermischen Speichern, insbesondere das Speichermanagement in größeren Gebäuden, erscheint in vielen Betriebsprozessen verbesserungswürdig. Dabei ist die Analyse der periodischen Schwankungen und der Jahresdauerlinie des Wärme- und Kältebedarfs hilfreich. Das Verhalten der Jahresdauerlinie gibt Aufschluss über die Größenordnung von maschinellen Wärmeerzeugern und dem daraus resultierenden Einsatz von thermischen Speichern. Betrachtet man außerdem den Verlauf von Jahresdauerlinien, z. B. zu Zeiten des größten Wärmebedarfs, so kann in vielen Fällen die installierte Spitzenlast der Wärmeerzeugung durch einen thermischen Speicher und ein angepasstes Speichermanagement ersetzt werden. Die Beladungssystematik von Speichern und die optimierte Balance zwischen Energiebedarf und Energieangebot entscheidet über den wirtschaftlichen Erfolg. Dazu ist es notwendig, die Zuordnung der Wärme- und Kältebedarfe und deren Abdeckung neu in den Focus zu nehmen.

Neben der Wärmeversorgung von Gebäuden mit einzelnen Wärmeerzeugern gewinnt die Wärmeversorgung von Quartieren durch KWK-Anlagen oder Solarthermie an Bedeutung [6, 8, 16]. Zwar werden in Städten einzelne Gebiete und Quartiere bereits seit Jahrzehnten mit Fernwärme versorgt, allerdings sind lokale siedlungsnahe KWK-Anlagen durch die gleichzeitige Produktion von Strom und Wärme attraktiv geworden [17‐23, 27, 29]. Der Ausbau der Wärmenetze hat dazu geführt, dass weitere Wärmeerzeuger wie Müllverbrennungsanlagen oder industrielle Abwärme integriert werden konnten [17]. Dazu kommt vermehrt eine strombasierte Wärmeenergie aus der Sektorkopplung (Abschn. 13.3). Diese wird entweder als Power-to Heat (PtH) oder über den Umweg der Wasserstoffproduktion (Power to Gas, PtG) dem Nahwärmenetz zugeführt. Die notwendige Flexibilisierung der Wärme- wie Kälteversorgung bzw. die Entkopplung von Wärmeerzeugung und Verbrauch übernehmen großvolumige Wärmespeicher[74‐101, 4, 5, 7, 12]. Abb. 13.1 zeigt die Nah-/Fernwärmeversorgung mit einem Wärmespeicher als zentralem Baustein.

Die Entwicklung der Latentwärmespeicher mit Phasenwechselmaterialien begann Ende des 20. Jahrhunderts und erlebte einen Boom in der Forschung und Entwicklung (F&E) in zwei großen Schüben. Die F&E-Aktivitäten dauern bis heute an, sind aber von Problemen der Umsetzung in die Praxis begleitet. Auch ist die Umsetzung der Technik von geeigneten Investoren abhängig, die bereit sind fortschrittliche und nachhaltige Techniken in Gebäuden zu etablieren. In Deutschland ist insbesondere das Bayrische Zentrum für angewandte Energieforschung (ZAE) in Bayern hervorzuheben, deren Mitarbeiter seit Jahren besondere Anstrengungen in der Entwicklung von Speichertechnologien unternehmen, um sowohl auf dem Gebiet der Phasenwechselmaterialien als auch bei thermochemischen Speichern Fortschritte zu erzielen [19].

Elektrische beladbare Speicherheizungen wurden bereits in den 1950-Jahren als neue preiswerte Form des Heizens propagiert, weil vorausgesetzt wurde, dass der Nachtstrom eine langfristige preiswerte Alternative bleiben wird. Wichtige Argumente waren zu der Zeit auch die Staub- und Geruchsfreiheit sowie eingesparter Lagerraum für das Brennmaterial. Das Nachrüsten gestaltete sich einfach, da nur elektrische Versorgungsleitungen gelegt werden mussten. Insbesondere die Energieversorger propagierten das Modell, um ein nächtliche Nachfrage zu generieren und so eine konstante Auslastung der Kraftwerke zu fördern. In den letzten Jahrzehnten ist allerdings das elektrische Beheizen von Gebäuden immer unwirtschaftlicher geworden. Eine neue Situation entsteht zurzeit in einer zweiten Phase der Nutzung von eigenen Fotovoltaik Anlagen dadurch, dass sie aus der Förderung herausfallen. Damit kann die elektrische Energie nur gewinnbringend im eigenen Haus verbraucht werden. Grundsätzlich schafft die Elektrospeicherheizung, wie andere Speichereinrichtungen auch, die Möglichkeit elektrische Energie zeitversetzt als Heizwärme zu nutzen.

Die Speicherfähigkeit von Gebäuden wurde in der Vergangenheit häufig unter dem Aspekt der Havarie der Wärme- oder Kälteerzeugung betrachtet. Parallel konnte die Bauteilaktivierung insbesondere die Betonkernaktivierung vorangetrieben und an zahlreichen Objekten erprobt werden. Damit bleibt der vorherrschende Mechanismus der Energiespeicherung auf einem exergetisch niedrigem Niveau und ist bis auf Ausnahmen auf den Tag-Nacht-Rhythmus beschränkt. Neuere Entwicklungen dagegen versuchen, die Wärmespeicherung in Betonfundamenten von der Versorgung zu entkoppeln und mit höheren Temperaturniveaus höhere exergetische Ausbeuten zu erzielen [35–42, 50–58]. Als Referenzgebäude für eine Vielzahl von energetischen Betrachtungen ist das VDI-Musterhaus der VDI 6009 Bl.1 (Abb. 16.1) geeignet und wird daher in den folgenden Beispielen zur Fallbetrachtung herangezogen.

Unter Autarkie in Gebäuden versteht man im Allgemeinen die Selbstversorgung mit elektrischer Energie und Wärme [1, 2]. Eine vollständige Autarkie der Wärmeversorgung im Gebäude ist bisher nur in Ausnahmefällen realisiert worden [13]. Zurzeit wird die elektrische autarke Energieversorgung mit Fotovoltaik und Wind noch diskutiert. Eine unabhängige Wärmeversorgung mit Hilfe erneuerbarer Energien bedeutet aber eine große Einsparung von Primärenergie und ist volkswirtschaftlich anzustreben. Sie wird dokumentiert in einer Vielzahl von Gebäuden, die Autarkiegrade oberhalb von 50 % besitzen. Im Folgenden wird die Teilautarkie bzw. der Autarkiegrad der Selbstversorgung von Gebäuden mit Wärme betrachtet. Betrachtet man den gesamten Gebäudebestand, so wurden komplett selbstversorgende Gebäude bisher kaum realisiert. Dies ist nicht zu verwechseln mit dem Plus-Energiehaus, das sich auf die elektrische Energie konzentriert. Der Autarkiegrad bezieht sich hier sowohl auf die Erzeugung von Wärmeenergie als auch auf deren Verbrauch in den Bilanzgrenzen des Gebäudes. Im Folgenden werden die entscheidenden Größen wie Wärmebedarf, solare Wärmeproduktion in Form der Kollektorfläche der Solarpanels und der maximale Energieinhalt von Warmwasserspeichern betrachtet. Damit ein Vergleich unabhängig von der Gebäudegröße gemacht werden kann, werden aus diesen Daten Relationen (Autarky Performance Indicators API) gebildet und zum Autarkiegrad in Beziehung gesetzt. Dabei werden Tendenzen bezüglich der Kollektorflächen und den Speicherinhalten im Verlauf der Trendlinien des Autarkiegrades sichtbar. Im Fall der autarken Wärmeversorgung stehen drei Aspekte in unmittelbarem Zusammenhang: der Energieverbrauch im Gebäude (Wärmebedarf), die Energieerzeugung durch das Gebäude und die Speicherung von Energie innerhalb oder außerhalb des Gebäudes. Zwischen diesen besteht ein systemischer Dreiklang (Abb. 17.1), wie bereits in der Einleitung (Kap. 1) beschrieben.