Hallo zusammen, in diesem Video geht es
um Wasser zur Wärmespeicherung,
um die Aufgaben und Arten von solchen
Wasserwärmespeichern.
Die erste Folie behandelt die Aufgaben von
Wärmespeichern.
Klar, die ursächliche Aufgabe ist das Speichern
von Wärme und zwar
der zeitliche Ausgleich zwischen
Wärmeangebot und -bedarf.
Typisches Beispiel ist die thermische Solarenergie.
Da kann man tagsüber Solarenergie ernten,
in den Speicher einkoppeln und
abends und nachts zum Verbrauch
bereitstellen.
Oder hier eine große Anlage,
wo während des Sommers Energie in diesem
großen Erdbeckenspeicher eingelagert wird
und dann für den Winter bereitgestellt wird.
Hier eine kleine Anlage mit
einer Tages-Speicherung.
Zum zweiten nutzt man Wärmespeicher,
um häufiges Ein- und Ausschalten
von Geräten zu vermeiden.
Wenn man z.B. Blockheizkraftwerke,
also Motoren, ständig ein- und ausschaltet,
dann senkt das die Lebensdauer.
Auch die Verdichter von Wärmepumpen
reagieren empfindlich,
sie immer wieder anlaufen müssen.
Oder beim Verbrennen von Holz
in Holzkesseln entstehen bei häufigem Ausschalten
erhöhte Schadstoffemissionen und
auch das möchte man vermeiden.
Also, häufiges Ein- und Ausschalten,
das sogenannte Takten, ist zu vermeiden,
da es mit Verschleiß, Anfahrverlusten und Anfahremissionen
verbunden ist.
Zum Dritten setzt man Speicher ein,
um kurzzeitig mehr Leistung
zur Verfügung zu stellen. Hier ein
Beispiel mit einer Wärmepumpe.
Wird eine Wärmepumpe nur auf die Heizlast
eines (kleinen) Gebäudes auslegt,
errechnet man z.B. 4 kW Heizlast.
Aber mit 4 kW kann man keine
Warmwasserbereitung im Durchlauf realisieren.
Um komfortabel zu duschen
braucht man etwa 20 kW.
Dieses Problem löst man mit einem Speicher
in dem man ihn z.B. 30 Minuten lang
lädt mit 4 kW,
dann sind das 2 Kilowattstunden Energie.
Also 4 kW mal eine halbe Stunde,
also 4 kW x 0,5 h sind 2 kWh
und dann kann man diese 2 Kilowattstunden
in 6 Minuten entnehmen,
zum Beispiel, um 6 Minuten (also 0,1 h) zu duschen.
Auch das sind bei 20 kW Leistungsentnahme
2 Kilowattstunden, (20 kW x 0,1 h = 2kWh).
Also der Speicher macht diese höhere Leistung
für kurze Zeit verfügbar.
Und zuletzt
ein technischer Nutzen, den viele vielleicht nicht
auf dem Schirm haben:
Speicher dienen auch dazu,
hydraulische Ströme zu entkoppeln,
also an einem Speicher mehrere Kreise anzuschließen.
Damit die am Speicher angeschlossenen Kreise
z.B. zum Beheizen des Speichers
oder zur Entnahme von Energie aus dem Speicher
unterschiedliche Volumenströme haben können,
dient dann auch der Speicher,
indem man die Kreise an unterschiedliche
Anschlüsse legt.
Ja, hier noch ein Beispiel für
eine Verschaltung eines kleinen BHKWs
mit einem Pufferspeicher,
um die Taktfrequenz des Ein- und Ausschaltens des BHKWs
zu verringern, und auch
um die Warmwasserleistung, also die Spitzenleistung,
bereitstellen zu können.
Auf dieser Folie ist dargestellt,
welche physikalischen Möglichkeiten
es überhaupt für diese Wärmespeicherung gibt.
Wir haben schon viel über Wasser (als Speichermedium) gesprochen.
Das ist hier auch rot markiert,
einfach weil Wasser das am
meisten verwendete Wärmespeichermedium ist.
Weshalb das so ist, können wir auch gleich erkennen:
Wasser kann man einsetzen
bis rund 100 Grad Celsius,
- wenn man es unter Druck setzt
auch bei etwas
höherer Temperatur.
Und das Medium Wasser erlaubt
sehr unterschiedlich große Speicher,
eine vielleicht nur 1 Liter kleine Thermoskanne
zum Beispiel.
Die größten Wasserspeicher, die realisiert sind,
z.B. hier in Dänemark sind
große solarthermische Speicher zur
saisonalen Wärmespeicherung von Solarenergie.
Der größte Speicher in Dänemark
hat 200.000 Kubikmeter.
Und das ist ein Beispiel dafür,
dass man Wärme "sensibel" speichert, d.h.
durch Temperaturänderung, durch
Temperaturerhöhung speichert.
Ein weiteres Beispiel dafür sind das Erdreich
oder Aquifere, also unterirdische Wasservorkommen,
die man erwärmen kann.
Natürlich macht man das dann nicht bis 100 Grad Celsius,
sondern eher so
im Umgebungstemperatur-Bereich, also nicht
so große Temperaturänderung oder auch
Auch Sand, Steine, Kies oder Beton kann man
als Speichermedium nutzen.
Die haben den Vorteil, dass man
auch sehr hohe Temperaturen realisieren kann.
Die zweite Gruppe von Wärmespeichern sind
Latentwärmespeicher.
Die nutzen den Phasenwechsel aus.
Das bekannteste Beispiel ist sicherlich Wasser/Eis.
Also bei 0 Grad Celsius
schmilzt das Wasser bzw.
gefriert Wasser zu Eis,
und das ist ein solcher Phasenübergang,
der dann als
solches bei konstanter Temperatur
eine vergleichsweise große Wärmemenge
aufnehmen kann, womit man eine
vergleichsweise große Wärmemenge speichern kann.
Sowas kann man auch mit
Paraffinen oder mit Salzen machen.
Und wenn das verwendete Material, dieses Phase-Change-Material,
auch gepumpt werden kann,
dann spricht man von Slurries.
Bei so einem Eis/Wasser-Gemisch wäre
das zum Beispiel möglich.
Die dritte Gruppe, die es gibt, das sind
thermochemische oder thermophysikalische Reaktionen.
Chemische Reaktionen,
zum Beispiel, mit
Salzhydraten, Hydroxiden, Carbonaten
und Metallhydriden oder
physikalische Reaktionen wie Ad- und Absorption
von Wassermolekülen
an Silikagelen, Zeolithen oder
auch das Lösen in Lithiumbromid und Lithiumchlorid.
Hier ein Beispiel für einen solchen
Speicher mit einem PCM-Material,
zum Beispiel einem Paraffin.
Damit das Paraffin sich
nicht mit dem Wasser mischt und
mit Wasserströmen ausgetragen wird,
ist das Paraffin hier gekapselt
in solchen Kunststoffbehältern
und in diesem Behälter eingelagert.
Wichtig sind natürlich dann die
Eigenschaften solcher Speicher
und da wird jetzt deutlich, weshalb man
so häufig Wasser nutzt,
denn Wasser hat einfach eine hohe
Speicherkapazität pro Kubikmeter
beziehungsweise pro Kilogramm,
mit seinem 4,2 Kilojoule je Kilogramm und Kelvin (kJ/kgK).
Und man hat mit Wasser
eine sehr große Lade- und Entladeleistung
zur Verfügung.
Das ist nur abhängig vom Durchmesser des Rohres
an diesem Speicherbehälter,
im Gegensatz zu einem PCM-Speicher,
wo der Wärmeübergang hier
zwischen den PCM-Materialien und
dem Wasser begrenzend sein kann.
Auch die Kosten sind bei Wasser
einfach unschlagbar niedrig,
und man kann
Wasser unbegrenzt häufig
aufheizen und wieder abkühlen.
Das ist im Übrigen ein Unterschied zu
Stromspeichern, zu Batterien, und Akkus,
die häufig eine solche Begrenzung
in den Speicherladezyklen haben.
Das ist bei fast allen diesen Speichern nicht
der Fall. Und Wasser ist
zumindest nach allem, was wir bisher wissen,
von den Umwelteigenschaften
völlig unbedenklich.
Das ist z.B anders hier bei Lithiumbromid und
Lithiumchlorid, die, wenn sie in
wässrigen Lösungen vorliegen,
hochkorrosiv sind.
Das ist ein Unterschied zu solchen Materialien.
Der einzige Nachteil von Wasser oder
überhaupt von diesen sensiblen
Wärmespeichern und auch von den
Latentwärmespeichern ist, dass man
Wärmeverluste hat und damit nicht mehr
die komplette Energie, die man
in den Speicher reingesteckt hatte,
auch wieder zurück bekommt.
Das ist der Vorteil von diesen Speichersystemen,
die beruhen ja auf einer chemischen oder
physikalischen Reaktion und dann bekommt
man in der Regel
fast 100 % der Energie,
die man reingesteckt hat,
bei der Rückreaktion zurück.
Kommen wir zu den Arten von
Wasser-Wärmespeichern
und ich gehe im Folgenden eigentlich nur
noch auf Wasserwärmespeicher ein,
weil die einfach die größte Verbreitung haben.
Wir haben hier drei Kategorien,
nämlich zum einen Pufferspeicher,
das ist die Bezeichnung, wenn in
diesem Behälter Heizungswasser drin ist.
Wenn das der Fall ist, dann kann das
Material relativ frei gewählt werden.
Das kann einfacher Stahl sein
oder es kann sogar ein Kunststoff sein,
weil Heizungswasser kaum Sauerstoff enthält
also Korrosion keine Rolle spielt
und auch die
Druckfestigkeit bei Heizungswasser nicht
so gegeben sein muss.
Das sieht ganz anders aus, wenn in diesem
Speicher Trinkwasser drin ist,
dann muss man auf Korrosion achten.
Das Material muss
korrosions- und auch druckfest sein,
weil das Trinkwassernetz steht in der Regel
unter einem Druck bis zu 6 bar.
Und Materialien, die dann in Frage kommen,
sind innen emaillierter Stahl
oder auch Edelstahl.
Die dritte Kategorie sind sogenannte Kombi-Speicher.
Da vereint man einen Behälter,
wo Heizungswasser drin ist und
einen Behälter, wo Trinkwarmwasser drin ist,
und mit den
entsprechenden Eigenschaften
bezüglich der Materialien.
Die Anzahl an Wärmequellen ist auch noch
mal namensgebend.
Als monovalent würde man einen Speicher bezeichnen,
wenn er eine Wärmequelle zur Beheizung hat.
Das wäre hier zum Beispiel
angedeutet mit diesem Rohrwendel-Wärmeübertragern.
Das ist jeweils ein Wärmeübertrager
um den Speicher zu beheizen.
Wenn man zwei solche Wärmequellen
zur Beheizung verwendet,
nennt man das bivalent,
trivalent, multivalent. Das ergibt sich dann.
Die zweite Unterscheidung bei der
Art des Wärmespeichers ist,
ob es sich um einen indirekt beheizten Speicher
oder um einen Schichtenspeicher handelt.
Bei einem indirekt beheizten Speicher
hat man hier eine solche Rohrwendel
im Behälter liegen,
- das haben wir gerade auf
der Folie vorher gesehen -
Das Heizgerät beheizt also diesen Speicher,
in dem es heißes Wasser
hier durch die Rohrschlange fördert.
Und dann entsteht
im Speicher eine Aufwärtsströmung
des erwärmten Wassers
und es kommt eine Zirkulation des Wassers zustande,
einfach weil warmes Wasser
aufsteigt und entsprechende Konvektion in Gang kommt.
Und der Speicher
wärmt sich gleichmäßig auf.
Hier zwei Aufwärm-Schritte dargestellt,
auf 35 und auf 60 Grad Celsius.
Und wenn er dann warm genug ist, dann kann man hier unten
kaltes Wasser einführen,
oben warmes Wasser entnehmen.
Anders ist das beim Schichtenspeicher.
Hier führt man direkt schon
Wasser in den Speicher mit der
gewünschten Endtemperatur,
z.B über einen solchen externen Wärmeübertrager.
Das Heizgerät pumpt
also das heiße Heizungswasser
hier in diesem Kreislauf
und hier nimmt man Wasser aus dem Behälter,
erwärmt es in dieser Wärmeübertragung und
gibt es hier wieder rein.
Und wenn das
geeignet regelungstechnisch abgeglichen wird,
dann hat man direkt hier am
Austritt des Wärmeübertragers 60-grädiges Wasser
und das speist man oben in den Speicher ein,
sodass sich von oben nach unten
während der Ladung
eine solche Kolbenströmung ergibt.
Das hat den großen Vorteil,
dass direkt nach Ladebeginn
heißes Wasser zur Verfügung steht mit Nutztemperaturniveau.
Das heißt,
man kann mit kleineren Speichern
den gleichen Komfort bereitstellen für den Nutzer
und es hat auch den Vorteil,
dass man hier am Heizgerät
immer kühles Rücklaufwasser hat,
in der Größenordnung der Kaltwassertemperatur
und das erhöht den Wirkungsgrad der Heizgeräte.
Diesen Wärmeübertrager braucht man im
Übrigen nicht immer.
Den braucht man nur wenn man die Medien trennen muss.
Wenn in diesem Behälter
Heizungswasser drin ist,
dann braucht man diesen Wärmeübertrager nicht.
Ein wichtiges Merkmal
von Wasserwärmespeichern ist die Temperaturschichtung.
Das haben wir ja
gerade schon gesehen.
Oben ist es warm, unten kalt,
einfach weil warmes Wasser leichter ist als Kaltes
und warmes Wasser nach oben aufschwimmt.
Und man möchte auch diese
Temperaturschichtung erhalten.
Das ist effizient. Das erhöht den
Wirkungsgrad der Speicherung und
reduziert die Wärmeverluste. Man heizt
z.B. dann nur im oberen Teil des Speichers nach.
Hier der Heizkessel
bedient dann nur diesen oberen Teil des Speichers,
vielleicht hier noch über ein Umschalt-Ventil,
dass auf diese Höhe einspeist,
wenn man Heizwärme bereitstellen möchte,
- und hier
dieser Eingang würde bedient,
wenn man Trinkwarmwasser bereitstellen möchte.
Das Trinkwarmwasser wird
zielgerichtet zu- und abgeführt.
Also klar, man nimmt warmes Wasser von hier oben
und führt das kalte Wasser
von hier unten in den Speicher
ein. Und die
Heizung wird an so einen Speicher etwa
in mittlerer Höhe angekoppelt.
Das Kaltwasser hat ja etwa eine
Temperatur von 10 Grad Celsius.
Der Heizungsrücklauf
liegt etwa bei 20 bis 30 oder
40 Grad Celsius.
10 oder 20 Kelvin höher liegt der Heizungsvorlauf
und hier ist die heißeste Stelle,
zum Beispiel mit 60 Grad oder
70 Grad oder sogar 80 Grad Celsius.
Eine Besonderheit in diesem Bild sind die
sogenannten Schichtungslanzen.
Wenn man
die Einschichtung des Wassers
noch verbessern will, dann führt man die
eintretenden Volumenströme auch
zielgerichtet in die passende Schicht des Speichers,
auf passender Höhe ein.
Und dazu kann man solche
Schichtungsladelanzen verwenden,
z.B. hier für
den Rücklauf des Heizkreises, der kommt ja
nicht immer gleich warm zurück
und mit einer Schichtungslanze strömt dann
das Wasser so hoch auf, wie es der
Temperatur im Speicher entspricht und im
besten Falle tritt es genau
an der Öffnung der Lanze aus,
wo die gleiche Temperatur im Speicher herrscht.
Das Gleiche gilt hier für z.B.
eine solche solarthermische Beladung.
Auch die Solaranlage liefert nicht
immer gleich heißes Wasser und wenn
man das dann hier unten einbringt
und mit so einer "Glocke" umhaust
und eine Schichtungslanze oben anschließt,
dann steigt
das solar erwärmte Wasser
in die passende Schicht im Speicher auf.
Alternative zu diesen
Schichtungslanzen kann man Umschalt-Ventile
für unterschiedliche Speicherhöhen verwenden.
Letzte Folie zu diesem
Punkt sind die Unterschiede
zwischen Wärme- und
Kältespeichern.
Wenn man Klimaanlagen betreibt,
möchte man teils auch Kälte speichern.
Und da gibt es konstruktive und auch
energetische Unterschiede.
Der erste fast triviale Unterschied ist, dass
die Ströme dann alle umgekehrt sind.
Wenn man den Kältespeicher belädt,
dann lädt man den nicht von oben,
sondern von unten.
Da tritt dann das kalte Wasser ein,
z.B. mit 6 Grad Celsius,
es strömt auf und begegnet hier dem warmen Wasser,
das z.B. aus dem Gebäude rauskommt.
In das Gebäude rein strömt
6-grädiges Wasser, nimmt Wärme im Gebäude auf
und kommt mit 16 Grad Celsius zurück.
Das würde dann
abwärts strömen oder hier raus strömen.
Also die Kreise sind
unterschiedlich angeschlossen.
Zum Zweiten braucht man bei
Kältespeichern eine luftdichte Wärmedämmung.
Wenn man gar nicht Wärme dämmt,
dann hätte man ja Wärmeeinträge in den Speicher,
also keine Wärmeverluste sondern Wärmeeinträge,
weil der Speicher
in der Regel ja kälter ist als der Aufstellraum.
Aber man hätte auch
Kondensaterscheinungen.
Die Luftfeuchtigkeit würde an der
Speicherwand kondensieren und das würde
die ganze Zeit hier runter tropfen.
Das heißt, man muss den Wärmespeicher so wärmedämmen,
dass diese Feuchtigkeit
nicht an die Behälterwand kommt.
Und dazu gibt es entsprechende Materialien.
Dasselbe gilt auch für
Kaltwasserrohre.
Und im Gegensatz zu Wärmespeichern hat
man bei Kältespeichern in der Regel auch
viel geringere
Temperaturdifferenzen, die man nutzt.
Wärmespeichern erwärmt man z.B.
von ca. 20 Grad auf bis zu 100 Grad. Hier hat man
eine Temperaturdifferenz von nur 10 Kelvin
zwischen 6 Grad und 16 Grad Celsius
oder vielleicht auch bis 20 Kelvin,
aber das ist dann auch das Ende.
Daher hat man eine geringere Speicherkapazität
bei gleichem Volumem. Man hat geringere
Wärmeeinträge beziehungsweise
Kälteverluste.
Es gibt geringere Dichteunterschiede.
Die Schichtung spielt
da gar keine so große Rolle,
weil sie nicht so stabil ist.
Und bei solchen Kältespeichern sind
Latentspeicher etwas
interessanter als bei der Wärme,
z.B. diese Eisspeicher.
Damit bin ich am Ende dieses Videos
und würde mich freuen, wenn es Ihnen
weitergeholfen hat.