Leistungsfähige Wärmespeicher spielen auf dem Weg zur Klimaneutralität eine entscheidende Rolle. Doch welche Technologien eignen sich am besten für welche Anwendungsgebiete und Temperaturbereiche in Industrie und privaten Haushalten? Wissenschaftler aus Stuttgart suchen nach Antworten.
Es gibt viele Möglichkeiten, Wärme zu speichern. Eine ist auf einem großformatigen Foto an der Wand von Annelies Vandersickels Büro zu sehen. Die Aufnahme zeigt helle Kugeln vor einem roten Hintergrund. „Das sind Keramikkugeln, die sich auf mehr als 1000 Grad erhitzen lassen“, sagt die 38-Jährige, die seit Januar die Abteilung Thermische Prozesstechnik am Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart leitet.
Die Keramikkugeln eignen sich gut als Wärmespeicher für die Industrie, die oft hohe Temperaturen benötigt – etwa für chemische Prozesse oder die Gewinnung und Verarbeitung von Metallen. Wärmespeicher machten es möglich, Wärme, die gerade nicht gebraucht werde, später sinnvoll einzusetzen, erläutert Vandersickel. Sie könnten Industrieanlagen energieeffizienter machen – etwa über die stärkere Nutzung von Abwärme. „Seit Gas so teuer ist, bekommen wir dazu deutlich mehr Anfragen von Unternehmen“, erzählt die Forscherin.
Nützlich sind Wärmespeicher auch in thermischen Solarkraftwerken. In diesen erhitzt gebündeltes Sonnenlicht eine Trägerflüssigkeit, welche über einen Wärmetauscher Dampf erzeugt. Der Dampf wird in Turbinen geleitet, die Generatoren antreiben. Mit Wärmespeichern können solche Kraftwerke permanent Strom liefern – auch bei Nacht oder an trüben Tagen.
Verluste durch Abkühlung
Die Keramikkügelchen sind sogenannte sensible Speicher. Das bedeutet, dass sie sich bei der Zufuhr thermischer Energie spürbar erwärmen. In diese Kategorie gehören auch die Speichersteine in Nachtspeicherheizungen, Warmwasserspeicher in Haushalten sowie flüssige Salze und Metalle, die sich auf mehrere Hundert Grad erhitzen lassen. Ein Nachteil sensibler Speicher sind die Verluste durch die Abkühlung der Speichermedien. Sie müssen daher aufwendig isoliert werden.
Soll Wärme länger ohne Verluste gespeichert werden, kommen thermochemische Speicher ins Spiel. In ihnen wird Energie durch eine umkehrbare chemische Reaktion gespeichert. Als Beispiel nennt Vandersickel Kalkspeicher. Um diese ohne klimaschädliche Emissionen zu beladen, wird gelöschter Kalk zum Beispiel mit Solarstrom auf mehr als 450 Grad erhitzt. Dabei entweicht das gebundene Wasser, und es entsteht gebrannter Kalk. Zur Wärmegewinnung wird dem gebrannten Kalk in einer Mischkammer Wasser zugesetzt. Dabei wird die beim Brennen eingesetzte Wärme wieder frei. Wird der Kalk erneut gebrannt, kann er wieder Wärme speichern. Beide Reaktionen sind beliebig oft wiederholbar.
https://www.stuttgarter-zeitung.de/inhalt.energieversorgung-in-deutschland-und-bw-woher-unser-strom-kommt.487a01eb-dd58-4caf-b05d-c59ce1646fad.html
„Mit so einem Speicher lässt sich zum Beispiel Solarwärme aus dem Sommer in den Winter verlagern“, sagt Vandersickel. Im Forschungshochhaus auf dem Stuttgarter Uni-Campus soll damit ein Stockwerk beheizt werden. Für private Haushalte wären Kalkspeicher vor allem interessant, weil Kalk sehr kostengünstig und in großen Mengen verfügbar ist. Auch ganze Wohnviertel ließen sich auf diese Weise versorgen.
Wärmekissen und Eisspeicher
Eine weitere Form der Langzeitspeicherung sind Latentwärmespeicher. Ein bekanntes Beispiel sind die Wärmekissen für die Hosentasche, die sich nach Umknicken eines Metallchips erwärmen, während die Flüssigkeit im Inneren fest wird. Dabei wird Kristallisationswärme frei – sie entspricht der Energie, die zuvor nötig war, um den Inhalt des Kissens im heißen Wasserbad zu verflüssigen. Das DLR entwickelt Latentspeicher auch für höhere Temperaturen. „Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und der konstanten Temperatur während des Wechsels vom flüssigen in den festen Zustand sind sie ideal geeignet für die Prozessdampferzeugung – etwa in Papier- oder Keksfabriken.“
Auf demselben Prinzip beruhen Eisspeicherheizungen. Hier wird dem Wasser in einem Erdtank mithilfe eines Wärmetauschers Wärme entzogen, bis es gefriert. Die frei werdende Kristallisationswärme lässt sich über eine Wärmepumpe zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung nutzen. Zum Beladen des Speichers muss wieder Wärme zugeführt werden – etwa über eine Solarthermieanlage. Dadurch schmilzt das Eis, und der Vorgang kann erneut beginnen. Wegen der geringen Energiedichte brauchen Eisspeicher viel Platz. Zudem sind sie teuer.
Wärmesektor hinkt hinterher
Anders als beim Strom, der mittlerweile knapp zur Hälfte aus regenerativen Quellen stammt, liegt der Anteil erneuerbarer Energien im Wärmesektor erst bei einem Sechstel. Um der Klimaneutralität näher zu kommen, gebe es hier noch viel zu tun, so Vandersickel. Eine zentrale Rolle spielt die Elektrifizierung industrieller Prozesse mit Ökostrom. Um Fabriken gleichmäßig versorgen zu können, wird es künftig noch wichtiger, die schwankende Erzeugung von Wind- und Solaranlagen auszugleichen. Doch Batterien oder Pumpspeicher können nur begrenzte Strommengen speichern. „Daher muss ein Teil dieser elektrischen Energie als Wärme gespeichert werden“, sagt Vandersickel.
Im einfachsten Fall werden dazu Speichermaterialien wie Keramik oder Naturstein direkt mit Ökostrom erhitzt – wie bei einer Nachtspeicherheizung, nur in größerem Maßstab. Die gespeicherte Wärme lässt sich direkt abrufen und in Haushalten oder der Industrie verwenden. Alternativ kann die Wärme über Dampfturbinen wieder in Strom verwandelt werden. Allerdings würden so nur 40 Prozent der ursprünglichen Energie genutzt, sagt Vandersickel. „Weil Ökostrom künftig knapp sein wird, brauchen wir höhere Wirkungsgrade.“ Möglich seien diese etwa durch Carnot-Batterien, bei denen der Wärmespeicher nicht direkt mit Strom, sondern über eine elektrische Hochtemperatur-Wärmepumpe beheizt wird. Wie sich so eine Anlage optimal betreiben lässt, untersuchen DLR-Forscher mithilfe eines Prototypen.
Effiziente Energiespeicher im Mittelpunkt
Institut
Im Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) arbeiten gut 180 Menschen an Technologien zur effizienten Speicherung und Umwandlung von Energie. Neben Stuttgart hat das Institut Standorte in Köln, Ulm, Oldenburg und Hamburg. Forschungsschwerpunkte sind thermische Energiespeicher und elektrochemische Energiespeicher wie Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolysesysteme, die für den Aufbau einer grünen Wasserstoffwirtschaft benötigt werden.
Abteilung
In der thermischen Prozesstechnik forschen rund 50 Beschäftigte auf den Gebieten Wärmespeicherung und Wärmemanagement. Einsatzgebiete sind unter anderem industrielle Prozesswärme, Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplung und Verkehr. Zum Spektrum gehören sowohl praktische Experimente als auch Simulationen, die bei der Planung solcher Anlagen helfen sollen. Abteilungsleiterin Annelies Vandersickel ist neben ihrer Arbeit beim DLR auch Professorin für Thermische Energiespeicherung an der Universität Stuttgart.