Thermische Energiespeicher in der Gebäudetechnik: Anwendungsmöglichkeiten und Mehrwert

21.07.2023 | J. Morelli – Online Redaktion, Forum Verlag Herkert GmbH

Mit fortschreitendem Klimawandel und ambitionierten Klimaschutzzielen der Bundesregierung ist seit einigen Jahren ein regelrechter Ansturm auf "grüne" Baukonzepte zu beobachten. Gleiches gilt im gesteigerten Maße für regenerative Heiz-, Wärme- und Energietechnik. Dabei treten nicht erst seit der letzten Novellierung des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) auch Wärmepumpen und Solarthermie-Anlagen weiter in den Fokus nachhaltiger Energiekonzepte. Bei beiden und auch PV-Anlagen ist es sinnvoll, einen thermischen Energiespeicher zu verwenden. Worauf Sie bei dessen Installation und Betrieb achten müssen, lesen Sie in unserem Fachartikel.

Inhaltsverzeichnis

1. Unterschiedliche Typen von thermischen Energiespeichern
2. Anwendungsmöglichkeiten thermischer Energiespeicher
3. Thermische Puffersysteme im produzierenden Gewerbe?
4. Fazit: Thermische Energiespeicher als Schlüssel für den Ausbau erneuerbarer Energien

Unterschiedliche Typen von thermischen Energiespeichern

Thermische Energiespeicher können sich je nach Betriebsart teils stark voneinander unterscheiden. Neben einem häufig verwendeten "sensiblen" Wasserwärmespeicher, der überschüssige Energie in Form von gestiegener Temperatur speichert und an die Haustechnik abgibt, gehören latente Wärmespeicher zu den häufigsten thermischen Energiespeichern.

→ Eines der Hauptziele von Energiespeichern ist die mögliche Pufferung saisonaler und täglicher Wärmelastspitzen. Denn durch die zeitliche Trennung von Erzeugung und Nutzung der Wärme können die Ressourcen von thermischen Energiespeichern effektiv eingesetzt werden; ein derartiger Wärmeüberschuss ist in Deutschland in den Frühjahrs- bis Herbstmonaten die Regel.

In Einzelgebäuden mit Luft-Wasser-Wärmepumpe sind derartige Speerzeiten durch die Netzbetreiber oft in der Mittagszeit oder in den Abendstunden, um durch die Verbrauchsspitze nicht die Verteilernetze zu belasten. Damit dies aber nicht zu einem Ungleichgewicht gegenüber herkömmlichen oder anderen regenerativen Heizsystemen führt, bestehen für Betreiber von Wärmepumpen außerhalb der Spitzenzeiten verringerte Netzentgelte (vgl. QUARTIER 3/2023)

Latente Wärmespeicher

Unter latenten Wärmespeichern werden in Praxis Phasenwechsel- oder PCM-Wärmespeicher verstanden. D. h. dass bei derartigen thermischen Speichersysteme der größte Teil der zugeführten Energie für einen Phasenwechsel (z. B. fest zu flüssig – Erstarren und Schmelzen) verwendet wird. Solange dieser induzierte Verwandlungsprozess nicht abgeschlossen ist, steigt die Temperatur des Wärmeträgerstoffes trotz weiterer Stromzufuhr nicht an. Dementsprechend kommt es in dieser Phase zu vergleichsweise sehr geringen Wärmeverlusten und die Speicherkapazität von Latentwärmespeichern ist entsprechenden größer als bei sensiblen Wärmespeichern, wie z.B. Heißwasserspeichern.

Anwendungsmöglichkeiten thermischer Energiespeicher

Neben dem primären Einsatz in der Kühl- und Wärmetechnik (Gebäudetechnik) können thermische Energiespeicher hinter nahezu jede Wärmequelle geschaltet werden. Besonders interessant erscheint eine Energiespeicherlösung für Quartiere. Zu diesem Zwecke wurde im Frühjahr 2023 im Rahmen des "Gebäudeforums klimaneutral" eine Studie über "Thermische Energiespeicher für Quartiere" vorgestellt. Ziel des Ganzen sei – so die Veranstalter –, eine klimaneutrale Energieversorgung in Quartiersprojekten voranzubringen und gleichzeitig den Bauherrn, Architekten und Anwendern die neuesten Technologien, Wirtschaftlichkeit, aber auch Fördermöglichkeiten und Genehmigungsverfahren näher zu bringen (vgl. QUARTIER 3/2023).

Nachhaltiges Energiekonzept – ein Beispiel

Der Lagarde-Campus in Bamberg soll das Areal der ehemaligen US-Militärkaserne zu einem gemischt genutzten urbanen Quartier machen. Auf dem 22,5 ha großen Gelände sollen neben sozialen Einrichtungen größtenteils Wohnräume für etwa 2.400 Menschen entstehen. Dabei steht das Thema Nachhaltigkeit und 65-Prozent-Erneuerbare-Energien-Regelung in Vordergrund des Energiekonzeptes.

Der Großpufferspeicher bildet das Herzstück der nachhaltigen Energieversorgung (© Stadtwerke Bamberg)

Um "grüne" Energie zu erhalten, sollen mindestens 70 Prozent der benötigten Wärme mit örtlichen Ressourcen abgedeckt werden (Quellwärme mithilfe von Erd- und Abwasserwärme, verteilt auf ein kaltes Wärmenetz). Dafür soll es eine Kombination aus unterschiedlichen regenerativen Technologien geben und die Wärmeversorgung des Quartiers über eine eigene Energiezentrale gesteuert werden. Bestehend aus Blockheizkraftwerken (BHKW), thermischen Großpufferspeichern, Pumpen und Fernwärmetechnik sollen künftig alle Wohnungen konstant mit Wärme versorgt werden. Zusätzlich soll durch ein intelligentes Lade- und Entlademanagement die Energieversorgung durch thermische Energiespeicher tages- und jahreszeitenunabhängig auf einem energetisch optimalen Level stattfinden.

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Gebäudeintegrierte Tagesspeicher in Kombination mit Wochenspeicher und Saisonspeicher

Die thermische Speicherstrategie bei dem Bamberger Projekt besteht aus einem Zusammenspiel unterschiedlich großer Speichersysteme. Da die eigentliche Erzeugung von Nutzwärme über Wärmepumpen erfolgt, dienen die beiden zusätzlichen Blockheizkraftwerk mitunter zur Stromüberproduktion, die entsprechend in gebäudeintegrierten Pufferspeichern (Tagesspeicher) gesammelt wird. Gleichzeitig wird die Abwärme aus dem BHKW-Betrieb in einem Großpufferspeicher (Wochenspeicher) geführt. Das thermische Speichertrio wird komplett durch einen Saisonspeicher, der durch Erdkollektoren (Geothermie) für eine konstante witterungsunabhängige Wärmeversorgung sorgt.

Thermische Puffersysteme im produzierenden Gewerbe?

Auch in der Industrie steigt die Nachfrage nach ökologischen Energiesystemen, die gleichzeitig die Effizienz steigern. Die Verwendung von thermischen Energiespeichern könnte auch hier ein Teil der Lösung sein. Denn durch sie kann es produzierenden Unternehmen erleichtert werden, Energie effizient zu nutzen und gleichzeitig die Kosten und den eigenen Klimafußabdruck zu reduzieren.

Aufgrund der geringen Wärmeentwicklung bieten sich gerade Latentwärmespeicher mit Paraffinen oder Salzen als Speichermedien an. So kann jedwede Art der überschüssigen Wärme gespeichert und bei dezentraler Speicherung sogar in anderen Produktionsbereichen wiederverwendet werden.

→ Besonders interessant für industrielle Fertigungsanlagen sind Abwärmespeichersysteme. Die dabei in den unterschiedlichsten Produktionsabläufen abfallende Abwärme kann dadurch gesammelt und nicht ungenutzt "verschwendet" werden.

Fazit: Thermische Energiespeicher als Schlüssel für den Ausbau erneuerbarer Energien

Spätestens mit der 65-Prozent-Erneuerbare-Energien-Regelung des Gebäudeenergiegesetzes ist es bei Neubauten unabdingbar, für grüne Alternativen in der Heiztechnik zu sorgen. Thermische Energiespeicher können bei dieser gesetzlich vorgeschriebenen Forderung nach Nachhaltigkeit eine wichtige Rolle spielen, indem sie erneuerbare Energien in die jeweiligen Energieversorgungssysteme integrieren. Dabei ermöglichen sie die effiziente Nutzung überschüssiger Energie und Wärme sowie tragen bei Einspeisung ins Stromnetz auch zu dessen Stabilisierung bei.

Zu den weiteren Vorteilen von thermischen Energiespeichern gehört, dass überschüssige Energie gleich welchen Ursprungs aufgefangen und zu späterem Zeitpunkt wiederverwendet werden kann. Dadurch ergibt sich ein Energiesparkreislauf, indem durch die Einspeisung von beispielsweise Abwärme im produzierenden Gewerbe andere Bedarfsfaktoren entsprechend dieser Größe reduziert werden. Das führt in der Folge nicht nur zu einer Energie- und Kosteneinsparung, sondern meistens auch zu einer CO₂-Reduktion und unterstützt somit aktiv die Klimaanpassung.