Saisonalspeicher

Ein Saisonalspeicher bzw. saisonaler Wärmespeicher oder Jahreszeitspeicher (englisch seasonal thermal energy storage (STES)[1]) ist ein Langzeitspeicher thermischer Energie einer saisonalen Wärmespeicherheizung, oft für eine thermische Solaranlage. Damit kann der Anteil von erneuerbaren Energien signifikant erhöht werden. Saisonalspeicher sind ein zentraler Bestandteil der sehr erfolgreichen auf Fernwärme und Solarthermie basierenden Dänischen Wärmewende.

Als Saisonalspeicher können, neben den saisonalen Wärmespeichern, auch Speicher für stoffliche Energieträger bezeichnet werden, mit denen saisonal im Überschuss vorhandene, regenerative Energie über mehrere Monate oder Jahre gespeichert wird (durch Stoffumwandlung wird Energie wieder freigesetzt). So können beispielsweise Biomasse-Speicher von Biogasanlagen oder Speicher für Wasserstoff, der durch Elektrolyse aus überschüssigem Photovoltaik- oder Windstrom hergestellt wird, als „stoffbasierte Saisonalspeicher“ bezeichnet werden.

Allgemeines

Saisonale Wärmespeicher sind so groß, dass sie Wärme aus der warmen Jahreszeit speichern können und damit gut wärmegedämmte Häuser in der kalten Jahreszeit weitgehend oder sogar vollständig mit gespeicherter Energie beheizen oder eventuell auch kühlen können. Meist wird ein solarer Energieüberschuss vom Sommer im Winter zu Heizzwecken verwendet, und so können mehrere Wochen bis Monate je nach Witterungsbedingungen und Speicher-Ladezustand überbrückt werden.[2] Bei zu Heizzwecken verwendeten Speichern erfolgt die Beladung bei sonnigem Wetter und während des Sommers, die Entladung bei Schlechtwetter und zur kalten Jahreszeit. Sie werden in Zukunft eine bedeutende Rolle in der solaren Infrastruktur einnehmen.[1]

Es gibt saisonale Speicher verschiedener Größe, die einzelne Häuser, Häusergruppen oder ganze Siedlungen über ein Nahwärme- beziehungsweise Fernwärmenetz versorgen. Die spezifischen Kosten je MWh Speicherkapazität sind umso geringer, je größer der Speicher ist, weshalb große Systeme bereits Wärme zu wettbewerbsfähigen Preisen um 5 ct/kWh liefern können.[3][4] Die Investitionen in Wärmedämmung der Häuser, Wärmeerzeugung – etwa durch Sonnenkollektoren, oder durch Wärmepumpen, die mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben werden – und Speichergröße müssen aufeinander abgestimmt werden, um die geringsten Gesamtkosten zu erzielen.

Speichertypen

Verschiedene Speichertypen:[5][6]

• Behälter-Wärmespeicher
• Erdbecken-Wärmespeicher, zum Beispiel als Kies/Wasser-Wärmespeicher
• Erdsonden-Wärmespeicher, bis zu 100 Meter tief
• Aquifer-Wärmespeicher

Behälter-Wärmespeicher

Der gängigste Typ für Ein- und Mehrfamilienhäuser sind Warmwassertanks als Schichtladespeicher, diese Technik kommt oft bei sogenannten Sonnenhäusern zum Einsatz. In Verbindung mit einer großen Sonnenkollektorenfläche können damit hohe solare Deckungsgrade erreicht werden. Diese Wassertanks können wegen ihrer Größe nur in Neubauten eingebaut werden, oder es werden Erdtanks außerhalb von Gebäuden verwendet. In kälteren Klimazonen haben Speicher innerhalb der Gebäudehülle den Vorteil, dass alle Wärmeverluste des Speichers dem Gebäude zugutekommen. Die Verluste lassen sich über den Wärmewiderstand des Speichers berechnen. Je nach Hausgröße, Rahmenbedingungen und Ziel haben die Speicher in Einfamilienhäusern etwa 10 bis 50 Kubikmeter[7] und sind mit einer 20 bis 40 cm dicken Wärmedämmung isoliert. Wenn ein Gebäude eine größere Treppenanlage erhalten soll, kann der Langzeitspeicher oft ohne großen Flächenverlust im Treppenaufgang integriert werden.

Verhältnis von Volumen zu Oberfläche

Allgemein gilt für Körper (A/V-Verhältnis): Wenn man die drei Kantenlängen ${\displaystyle a}$, ${\displaystyle b}$ und ${\displaystyle c}$ eines Quaders jeweils verdoppelt, vervierfacht sich seine Fläche ${\displaystyle A}$ (allgemeinsprachlich: Oberfläche; also die Grenzfläche zwischen kalt und warm); sein Volumen ${\displaystyle V}$ aber verachtfacht sich. Große Körper haben deshalb eine (für Wärmespeicherung) günstigere Relation von Volumen zu Oberfläche:

${\displaystyle V_{1}=a\cdot b\cdot c}$    (beim Würfel: ${\displaystyle V_{1,{\text{W}}}=a\cdot a\cdot a}$)

${\displaystyle A_{1}=2\cdot a\cdot b+2\cdot b\cdot c+2\cdot a\cdot c}$    (Würfel: ${\displaystyle A_{1,{\text{W}}}=6\cdot a\cdot a}$)

${\displaystyle V_{2}=2a\cdot 2b\cdot 2c=2\cdot 2\cdot 2\cdot a\cdot b\cdot c=8\cdot a\cdot b\cdot c=8\cdot V_{1}}$

${\displaystyle A_{2}=2\cdot 2a\cdot 2b+2\cdot 2b\cdot 2c+2\cdot 2a\cdot 2c=4\cdot A_{1}}$

Das gilt auch für Zylinder: Wenn man seinen Durchmesser und seine Höhe verdoppelt, verachtfacht sich sein Volumen. Auch wenn man den Durchmesser einer Kugel verdoppelt, verachtfacht sich ihr Volumen. Eine Kugel hat das größte Verhältnis von Volumen zu Oberfläche aller geometrischen Körper.

Erdbecken-Wärmespeicher

Diese gibt es auch ohne nennenswerte Dämmung zum Untergrund, nur mit einer stabilen Folie abgedichtet. Entweder oben mit einer mehrstufigen schwimmenden Isolierung, wobei Regenwasser abgepumpt wird, oder er ist allseits mit Beton ummantelt. Die Beckenform kann ein umgekehrter Kegelstumpf, Pyramidenstumpf oder quaderförmig sein.[8] Dieser eher größere Speichertyp kann je nach Größe komplette Solarsiedlungen mit solarer Fernwärme versorgen. Sie werden entweder als Wasserspeicher oder als Kies-Wasserspeicher gebaut. Der Kies-Wasserspeicher hat bei gleichen Ausmaßen eine geringere Speicherkapazität, im Vergleich zu reinen Wasserspeichern, weil Wasser eine höhere Wärmekapazität hat als Kies. Der Temperaturaustausch erfolgt über integrierte Brunnensysteme bzw. indirekt über Wärmetauscher.

Erdsonden-Wärmespeicher

Dabei wird über Bohrlöcher der Untergrund, wie Gesteinsschichten oder Erdreich, erwärmt. Die Wärme kann je nach Bedarf über die Bohrlöcher mithilfe einer Wärmepumpe wieder zurückgewonnen werden. Die Bohrungen sind entweder senkrecht oder verlaufen schräg in die Tiefe. Nicht jeder Untergrund ist gleich gut dafür geeignet und es gibt auch völlig ungeeignete lokale Gegebenheiten.

Aquifer-Wärmespeicher

Unter günstigen hydrogeologischen Standortbedingungen kann ein sogenannter Aquifer, also ein Grundwasserleiter, zur Wärmespeicherung genutzt werden. Hierfür werden manchmal zwei Brunnen verwendet, die je nach Jahreszeit entweder Wärme oder Kälte liefern bzw. speichern. Diese Brunnen sind in einem bestimmten Abstand versetzt angeordnet.

Sandspeicher

Hierbei handelt es sich um mit Sand gefüllte Silos, die mittels Heißluftgebläsen auf 500–600 °C aufgeheizt werden können. Bevorzugt wird dafür Überschussenergie aus umliegenden Windkraftanlagen und Solarkraftwerken genutzt, sodass mit Sandspeichern auch Regelleistung zur Verfügung gestellt werden kann. Die gespeicherte Wärme wird in Wintermonaten in das Fernwärmenetz eingespeist, aufgrund der hohen Temperaturen sind aber auch Prozesswärmeanwendungen möglich. Die Energieeffizienz soll bei größeren Systemen bis zu 95 % betragen, dies wird durch das günstigere Verhältnis von Volumen zu Hüllfläche sowie eine Ladestrategie erreicht, bei der das System im Kern erhitzt wird, die Wärmeentnahme jedoch in den niedriger temperierten Randzonen stattfindet.[9]

Weitere Typen

Alternativ kann man ein massives Fundament durch thermische Bauteilaktivierung als Speichermasse nutzen. Diese wird auf etwa 30 °C erwärmt.

Saisonaler Ausgleich im Stromnetz

Um einen Ausgleich im Falle einer sogenannten Dunkelflaute im Stromnetz zu schaffen, wäre es möglich, einen im Sommer regenerativ generierten Energieüberschuss durch Power-to-Gas in Wasserstoff umzuwandeln und in Untergrundspeicher in Salzstöcken zu speichern. Dieser Vorrat könnte dann in der kälteren Jahreshälfte als Energiespeicher für viele Zwecke dienen, dafür nötig wären ein Ausbau der Wasserstoffwirtschaft und ein Ausbau der Sektorenkopplung zur verbesserten, enger vernetzen Umwandlung der Energie zwischen den Bereichen Stromnetz, Haushalte, Mobilität und Industrie. Kurzfristige Schwankungen können hingegen mit Batterie-Speicherkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken ausgeglichen werden.

Den Power-to-Gas-Ansatz zur saisonalen Speicherung in Verbindung mit Photovoltaik gibt es auch zur Gebäudeheizung. Dabei werden Überschüsse aus der warmen Jahreszeit mithilfe einer Brennstoffzelle im Winter verwertet.

Literatur

• Speichervorgänge im Umfeld vertikaler Erdsonden von Wärmepumpen. In: Heizung Lüftung/Klima Haustechnik (HLH). Nr. 1/2015, S. 19–23.
• Kapitel 8.3. Saisonale Wärmespeicher. In: Solare Wärme für große Gebäude und Wohnsiedlungen. Fraunhofer IRB, Stuttgart, ISBN 978-3-8167-8752-5, S. 93–94.
• Kapitel 13.2.1.3. Saisonale Wärmespeicher für große Solaranlagen. In: M. Sterner, I. Stadler (Hrsg.): Energiespeicher – Bedarf, Technologie, Integration. 2. Auflage. 2017, ISBN 978-3-662-48892-8, S. 740–744. (in erster Auflage des Buches auf S. 677–680)
• Silke Köhler, Frank Kabus, Ernst Huenges: Wärme auf Abruf: Saisonale Speicherung thermischer Energie. In: T. Bührke, R. Wengenmayr (Hrsg.): Erneuerbare Energie: Konzepte für die Energiewende. 3. Auflage. Wiley-VCH, ISBN 978-3-527-41108-5, S. 133–139.
• Jens-Peter Meyer: Saisonale Speicher: Vorrang für die Sonne. In: Sonne Wind & Wärme. Nr. 4/2018, S. 69–71.
• M. Schmuck: Wirtschaftliche Umsetzbarkeit saisonaler Wärmespeicher. expert Verlag, 2017, ISBN 978-3-8169-3398-4.
• H. Weik: Expert Praxislexikon: Sonnenenergie und solare Techniken. 2., überarbeitete Auflage. expert Verlag, 2006, ISBN 3-8169-2538-3:
  • Aquifer-Speicher. S. 16.
  • Erdbeckenwärmespeicher. S. 98.
  • Langzeitspeicher. S. 175–176.
• TZS: Saisonale Wärmespeicher. In: Solare Wärme: Das Solarthermie-Jahrbuch 2019. Solar Promotion GmbH. 27. Februar 2019, S. 112.

Weblinks

• Sonnenhaus-Institut
• Solarthermie Technologie: Großspeichersysteme
• PDF bei www.fvee.de
• Innovative Ansätze beim Langzeitwärmespeicher
• www.saisonalspeicher.de (Memento vom 30. Juni 2020 im Internet Archive)

Einzelnachweise

1. Goran Mijic: Solar Energy and Technology. Volume 2, de Gruyter, 2018, ISBN 978-3-11-047577-7, S. 658.
2. M. Schmuck: Wirtschaftliche Umsetzbarkeit saisonaler Wärmespeicher. expert Verlag, 2017; im Beschreibungstext auf der Buchrückseite und auch auf Seite 8 unten
3. Baerbel Epp: Seasonal pit heat storage: Cost benchmark of 30 EUR/m³. 17. Mai 2019, abgerufen am 19. Oktober 2021. 
4. Daniel Tschopp, Zhiyong Tian, Magdalena Berberich, Jianhua Fan, Bengt Perers, Simon Furbo: Large-scale solar thermal systems in leading countries: A review and comparative study of Denmark, China, Germany and Austria. 15. Juli 2020, abgerufen am 19. Oktober 2021. 
5. M. Schmuck: Wirtschaftliche Umsetzbarkeit saisonaler Wärmespeicher. expert Verlag, 2017, S. 9.
6. Solare Wärme für große Gebäude und Wohnsiedlungen. Fraunhofer IRB, Stuttgart, ISBN 978-3-8167-8752-5, S. 93–94.
7. Handbuch der Gebäudetechnik: Planungsgrundlagen und Beispiele. Band 2, 9. Auflage. Bundesanzeiger Verlag, 2016, ISBN 978-3-8462-0589-1, S. H 170
8. T. Urbanek: Kältespeicher: Grundlagen, Technik, Anwendungen. Oldenbourg Verlag, München 2012, ISBN 978-3-486-70776-2, S. 253.
9. Polar Night Energy: Sand Battery’s Efficiency Explained