Wärme speichern für lange Zeit
Bau Langzeitwärmespeicher
Langzeit-Wärmespeicher dienen der Speicherung von Wärme bzw. Kälte über einen Zeitraum von mehreren Monaten. So kann z. B. die im Sommer überschüssige Solarenergie in den Wintermonaten Teile des Heizwärme- bedarfs decken. Neben der Sonnenenergie kommen weitere natürliche Energiequellen sowie Ab- und Überschusswärme (inkl. der Kraft-Wärme-Kopplung) für die saisonale Wärmespeicherung in Betracht. Nachfolgend sind Temperaturbereich und Verfügbarkeit einiger typischer Wärmequellen zusammengestellt.
Heißwasser-Wärmespeicher
Der Heißwasser-Wärmespeicher kann für die Speicherung von Wasser im Temperaturbereich bis 95°C eingesetzt werden. Das Speichervolumen wird in der Regel durch einen zylindrischen Stahl- oder Betonbehälter erschlossen. Die notwendige Wasserdampfdiffusionsdichtigkeit bei Betontragwerken wird durch spezielle Betonadditive oder eine zusätzliche innere Auskleidung erzielt. Weil Kunststoff-Folien im Temperaturbereich über 80°C keine ausreichende Zeitstandfestigkeit erreichen, werden für die Auskleidung dünne Edelstahlbleche eingesetzt. Eine Wärmedämmung des Speichers erfolgt üblicherweise im Bereich des Deckels und der Seitenwände.
Heißwasser-Wärmespeicher (12.000 m³ Wasservolumen) in Friedrichshafen
Die Speicherbe- und -entladung erfolgt über unten und oben im Speicher eingebrachte Ladewechseleinrichtungen. Durch eine zusätzliche dritte Ebene im mittleren Speicherbereich wird eine gleichzeitige Be- und Entladung auf unterschiedlichem Temperaturniveau ermöglicht.
Die Behälterspeicher bieten die vielseitigsten Einsatzmöglichkeiten, da sie nahezu unabhängig von den vorliegenden geologischen Verhältnissen realisiert werden können. Sie werden meist teilweise in das Erdreich eingegraben
Erdbecken-Wärmespeicher in Ottrupgard (10.000 m³ Wasservolumen)
Kies-Wasser-Wärmespeicher
Bei Kies-Wasser-Wärmespeichern wird ein Gemisch aus Kies und Wasser als Speichermedium genutzt. Zu diesem Zweck wird eine abgedichtete Grube (oft auch als Erdbecken bezeichnet) mit dem Speichermedium gefüllt und anschließend abgedeckt. Eine tragende Deckenkonstruktion ist aufgrund des statisch tragenden Speichermediums nicht erforderlich, die Überbaubarkeit ist gewährleistet. Der Speicher wird nach Möglichkeit allseitig gedämmt. Die Be- und Entladung des Speichers kann direkt durch den Austausch von Speicherwasser oder bei kleineren Speichern auch indirekt über eingelegte Rohrschlangen erfolgen. Die maximale Speichertemperatur ist aufgrund der Temperaturfestigkeit der üblicherweise für die Abdichtung eingesetzten Kunststoff-Folien auf ca. 80°C begrenzt. Bedingt durch die geringere Wärmespeicherfähigkeit des Kieses wird ein im Vergleich zum Heißwasser-Wärmespeicher etwa 50% größeres Bauvolumen benötigt, um die selbe Wärmemenge zu speichern.
Momentanaufnahmen aus der Bauphase des Kies-Wasser-Speichers in Steinfurt
Erdsondenspeicher
Als Speichermedium werden beim Erdsonden-Wärmespeicher Erdreich oder Felsgestein genutzt. Eine geringe Grundwasser-Fließgeschwindigkeit ist Voraussetzung für die Errichtung dieses Speichertyps. Gut geeignete geologische Formationen sind wassergesättigte Tone bzw. Tongesteine aufgrund ihrer hohen Wärmekapazität bei gleichzeitig geringer Durchlässigkeit.
Die Ein- bzw. Ausspeicherung der Wärme erfolgt über U-Rohr-förmige oder koaxiale Wärmeübertragerrohre, die in senkrechte Bohrungen eingebracht werden. Die Hohlräume zwischen Wärmeübertragerrohr und Bohrlochwand sind mit einem geeigneten Material, z. B. einer Bentonit-Zement-Mischung zu verfüllen, um einen guten Wärmetransport zwischen Sonde und Erdboden zu erreichen.
Eine Wärmedämmung des Speichers ist nur zur Oberfläche hin möglich. Der Erdsonden-Wärmespeicher ist nur für größere Speichervolumina ab etwa 50.000 m³ geeignet. Die Vorteile des Erdsonden-Wärmespeichers liegen im relativ geringen Bauaufwand und vor allem in der einfachen Erweiterbarkeit des Speichers.
Aufbau eines Erdsonden-Wärmespeichers
Aquifere
Bei einem Aquifer-Wärmespeicher werden natürlich vorkommende, nach oben und unten abgeschlossene Grundwasserschichten für die Wärmespeicherung genutzt. Die Wärme wird über Brunnenbohrungen in den Speicher eingebracht bzw. durch Umkehrung der Durchströmungsrichtung wieder entnommen. Eine Wärmedämmung ist nicht möglich, da die Tiefe geeigneter Schichten in der Regel mindestens 100 m unter der Geländeoberkante liegt. Aufgrund der Wärmeverluste ist ein Aquifer-Wärmespeicher auf hohem Temperaturniveau nur bei sehr großen Speichervolumina (minimal 100.000 m⊃3;) sinnvoll.
Für Aquifere ergeben sich die niedrigsten Baukosten im Vergleich zu allen anderen Speichertypen. Jedoch stellt der Aquifer-Wärmespeicher die höchsten Ansprüche hinsichtlich der hydrogeologischen Voraussetzungen. Quelle Text und Fotos: BINE Informationsdienst
Wärme speichern auf hohem Niveau … lesen Sie weiter im nächsten Kapitel
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