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Thermische Speicher als mobile Energiespeicher

Thermische Speicher dienen, wie der Name vermuten lässt, vorwiegend zur Speicherung von Wärme. Dafür muss man sich aber bewusst machen, welche Art der Wärme dabei gespeichert werden soll. Hierzu sind die unterschiedlichsten Produktionsprozesse zu betrachten, denn fast alle von ihnen erzeugen so genannte Abwärme, die verloren geht. Oftmals sind es 50 bis 70 Prozent der überhaupt eingesetzten Energie, die als Abwärme verloren geht. Weiterhin ist meist eine Rückkühlung notwendig, für die weitere Energie aufgewendet werden muss.

Abwärme entsteht dabei häufig dort, wo sie nach bisherigem Stand der Technik nicht gespeichert oder genutzt werden kann. Umso wichtiger ist es, mobile Energiespeicher für die Wärmespeicherung einzusetzen, die eben diese Wärme speichern können. Außerdem steht derzeit die Idee auf dem Prüfstand, die Abwärme mit Hilfe von LKWs vom Erzeuger zum Nutzer zu bringen. Hierfür sind jedoch entsprechende Wärmespeicher vonnöten. Nach derzeitigem Kenntnisstand kommen zwei Varianten der mobilen thermischen Speicher in Betracht:

  1. Speicher für sensible Wärme
  2. Latentwärmespeicher

Grundprinzip der Arbeitsweise sensibler Wärmespeicher

Sensible Wärmespeicher, auch bekannt als kapazitive Wärmespeicher, agieren nach folgendem Grundprinzip:

  • Wärme wird im Ladevorgang einem geeigneten Speichermedium zugeführt
  • Speichermedium erhöht daraufhin seine Temperatur
  • Speichermedium gibt im Entladevorgang Energie ab und verringert die eigene Temperatur

Hierbei kommt es ebenfalls zu Wärmeverlusten, die durch die Unterschiede zur Umgebungstemperatur entstehen. Diese müssen mittels passender Isolierschichten entsprechend minimiert werden. Dabei gilt:

Die gespeicherte und abgegebene Menge an Wärme verhält sich proportional zur Masse des Speichermediums.

Um einen sensiblen Wärmespeicher zu bewerten, wird dessen volumetrische Wärmekapazität berücksichtigt. Wie diese bei verschiedenen Speichermedien aussieht, zeigt folgende Tabelle. Dabei werden die Speichermedien bei Temperaturen von 20° C beurteilt und der in der Praxis genutzte Temperaturbereich aufgezeigt:

 

Speichermedium Temperaturbereich in °C Volumetrische Wärmekapazität in kJ/m³ K
Ziegelstein 0 – 1000 1.176 – 1.596
Wärmeträgeröl 0 – 400 1.360 – 1.620
Kies 0 – 800 1.278 – 1.420
Sand 0 – 800 1.278 – 1.420
Eisen 0 – 800 3.655
Beton 0 – 500 1.672 – 2.074
Wasser 0 – 100 4.175
Granit 0 – 800 2.062
Kies-Wasser-Schüttung 0 – 100 2.904
Natrium 100 – 800 925 - 750

Die Tabelle zeigt, dass Wasser bei niedrigen Temperaturen die höchste Wärmekapazität aufweist. Geht es um sehr hohe Temperaturen können mitunter jedoch andere Speichermedien eher in Frage kommen.

Vor- und Nachteile sensibler thermischer Speicher

Sensible thermische Speicher bieten einige Vor-, aber auch Nachteile. Die wichtigsten soll folgende Aufstellung gegenüberstellen:

Vorteile Nachteile
Als klassische Wärmespeicher bereits etabliert Wärmeverluste verhalten sich proportional zum Oberfläche-Volumen-Verhältnis, deshalb kleine Anlagen nur als Kurzzeitspeicher einsetzbar

Latentwärmespeicher im Überblick

Auch die Latentwärmespeicher als mobile thermische Speicher agieren nach einem klar definierten Grundprinzip:

  • Zu speichernde Wärme oder Kälte wird beim Ladevorgang durch den Wechsel des Aggregatszustands gespeichert
  • Beim Ladevorgang wird Wärme aufgenommen
  • Beim Entladevorgang wird Wärme abgegeben
  • Das Speichermedium verändert seine Temperatur kaum
  • Speichermedien sind unterschiedliche chemische Stoffe mit einem festen Schmelzpunkt
  • Je nach Arbeitstemperatur kommen verschiedene Speichermedien in Frage

Vor- und Nachteile der Latentwärmespeicher

Latentwärmespeicher, auch bekannt als PCM, bieten ebenfalls Vor-, wie auch Nachteile, wie folgender Überblick zeigt:

Vorteile Nachteile
Große Speichervolumenaufnahme durch die Umwandlung des Aggregatzustands möglich Geringer Wärmetransport zwischen Speichermedium und Wärmeträgerfluid, welches dieses umfließt
Betriebstemperatur bleibt weitgehend konstant Geringe Wärmeleitfähigkeiten der Speichermedien
Wärmespeicherdichte kann durch leichte Temperaturänderungen 10- bis 20-fach erhöht werden Daher sehr große Wärmeübertragungsflächen nötig, alternativ Speichermedien mit wesentlich höherer Wärmeleitfähigkeit
Geringer Speichermedium-Einsatz nötig  
Geringe Speichergrößen nötig