Ein Speicher ist grundsätzlich eine Einrichtung oder Vorrichtung, z.B. eine technische Anlage, in das etwas Materielles oder Immaterielles (wie Wärme) mit einer Rückholabsicht eingelagert wird. Durch die Rückholabsicht unterscheidet sich ein Speicher von einer Senke.
Bei Wärmespeichern (thermal energy storage, TES), also Speichern thermischer Energie, ist zwischen kleinen technischen Speichern, wie
Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang ihre „fühlbare“ Temperatur, z. B. Puffer. Die Wärmekapazität ist mit der wichtigste Parameter bei sensiblen Speichermaterialien. Da dieser Typus keine Phasenumwandlungen durchläuft, kann er über einen breiten Temperaturbereich, insbesondere im Hochtemperaturbereich, eingesetzt werden.
Sie verändern beim Lade- oder Entladevorgang nicht ihre „fühlbare“ Temperatur, sondern das Wärmespeichermedium ändert seinen Aggregatzustand. Meist ist das der Übergang von fest zu flüssig (bzw. umgekehrt). Das Speichermedium kann über seine Latentwärmekapazität hinaus be- oder entladen werden, was erst dann zu einer Temperaturerhöhung oder -verringerung führt.
Sie speichern die Wärme mit Hilfe von endo- und exothermen Reaktionen, z. B. mit Silicagel oder Zeolithen. Ein thermochemischer Speicher ist ein reversibles System, welches bei der Zusammenführung oder Trennung von mindestens zwei Stoffen/Komponenten thermische Energie freisetzt bzw. aufnimmt. Werden die Komponenten getrennt gelagert, kann die entsprechende Reaktion zur Speicherung von Wärme genutzt werden. Die Grundlage für thermochemische Wärmespeicher bildet daher die Auswahl eines für die gewünschte Speichertemperatur geeigneten Reaktionssystems.
Sie verwenden Thermovoltaik zum speichern von Energie als Hitze und nutzen deren Infrarotstrahlung zur Stromgewinnung.
Außerdem kann noch zwischen offenen, ins Erdreich eingebauten sogenannten Aquiferspeichern und den üblichen Behälterkonstruktionen unterschieden werden. Große Speichern zur Langzeitspeicherung (saisonale Speicher) sind immer Untergrundspeicher. Saisonale Speicherung großer Wärmemengen ist nur in Erdwärmespeichern (geothermischen Speichern) möglich. Im englische Sprachraum werden diese Speicher als UTES (underground termal energy storage) bezeichnet,
In der Industrie wird Wärme, meist als Prozesswärme, zu unterschiedlichsten Zwecken benötigt. Wichtig ist hierbei die notwendige Temperatur. Zur Trocknung z.B. von Papier oder Nahrungsmitteln reichen meist Temperaturen <200 ºC. Bei anderen Prozessen wie Glas- oder Zementherstellung werden Temperaturen deutlich >500 ºC benötigt. Angesagt sind hier also auch für die Speicher immer problemangepasste Lösungen. Auch hier lassen sich Speicher mit großen Kapazitäten und auch großen Leistungen nur als unteirdische Speicher realisieren.
Es sind eine Vielzahl verschiedener Wärmespeicher möglich und auch realisiert. Ein Überblick (englische Begriffe):
Erdwärmesonden-Speicher sind oberflächennahe Erdwärmespeicher bei denen die Wärme mit Erdwärmesonden sowohl ein- als auch ausgespeichert wird. Sie sind oft mit einer oberflächennahen Erdwärmeheizung aber auch mit Anlagen der Solarthermie kombiniert. Dadurch, dass im Sommer Überschusswärme eingespeichert wird, wird die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Gesamtanlage deutlich verbessert.
Umweltauflagen gestatten meist nur eine geringe Erhöhung der Temperaturen im Einspeicherbereich des Untergrundes. Als Folge sind Erdwärmesonden-Speicher vorwiegend für eine lokale Anwendung geeignet, wie:
Größere Wärmemengen lassen sich in tieferen, offenen Systemen speichern. Auch hier kann ein Großteil der eingespeicherten Energie rückgewonnen werden, da Grundwasserströmungen meist klein sind. Wegen der großen beteiligten Volumina zusammen mit der hohen Wärmekapazität von Wasser sind die Einspeichermengen nahezu beliebig groß. Die Möglichkeit dieser Speicher ist in Deutschland bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Die zugelassenen Temperaturen sind in größeren Tiefen weitaus höher als bei den oberflächennahen Sondenspeichern.
Aquiferspeicher mit Einspeichertemperaturen deutlich über der Aquifertemperatur werden oft als Hochtemperaturspeicher bezeichnet. Eine genaue Definition, also ein Temperaturwert ist nicht vorgegeben. Diese Art Speicher wird interessant, wenn ein Temperaturniveau erreicht wird, dass eine direkte Nutzung (ohne Wärmepumpe) in Fernwärmenetzen erlaubt. Dies dürfte für Netze der 4. Generation bei etwa 55 °C liegen. Noch höhere Temperaturen sind nötig, wenn der Speicher zur thermodynamischen Stromerzeugung genutzt werden soll (Stromspeicher). Man spricht dann auch von Speicherkraftwerken.
Zum Ausgleich fluktuierender Stromerzeugung (Wind, Sonne) werden auch Wärmespeicher auf einem Temperaturniveau angedacht, die eine Stromrückgewinnung in einem thermischen Kraftwerk gestatten. Für klassische Dampfkraftwerke sind hier relariv hohe Temperatuten nötig. Denkbar sind hier Flüssigsalz-Latentwärmespeicher in natürlichen Salzstrukturen. Flüssigsalz hat Temperatuten von 800 ºC was einen hohen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung gewährleistet.
Aquiferspeicher in Tiefen > 400m werden gelegentlich auch Tiefenspeicher genannt. Eine genaue Definition ist nicht vorgegeben.
Wärmespeicherung, auch im Zusammenhang mit Fernwärmenetzen kann auch ein Thema der Nachnutzung von Bergbauinfrastruktur sein. Erste Versuche hierzu laufen (2018) in einem Foschungsvorhaben am Geothermiezentrum Bochum.
Eine Sonderform der Wärmespeicher sind die Latentwärmespeicher oder Phasenwechselspeicher. Sie unterscheiden sich von sensiblen Speichern dadurch, dass die Phasenumwandlungsenthalpie und nicht die Wärmekapazität (bezogen auf die Temperaturspreizung) die Speichergröße bestimmt.
§ 4 Begriffsbestimmungen
(9) Untergrundspeicher ist eine Anlage zur unterirdischen behälterlosen Speicherung von Gasen, Flüssigkeiten und festen Stoffen mit Ausnahme von Wasser.
§ 126 Untergrundspeicherung
(1) Auf Untersuchungen des Untergrundes auf seine Eignung zur Errichtung von Untergrundspeichern und auf Untergrundspeicher sind die §§ 39, 40, 48, 50 bis 74, 77 bis 104, 106 und 131 entsprechend anzuwenden. Soweit zur Errichtung des Untergrundspeichers ein künstlicher Hohlraum geschaffen wird oder geschaffen worden ist, sind auf die Errichtung und den Betrieb von Untergrundspeichern zudem die §§ 110 bis 123 entsprechend anzuwenden. Mit der Vorlage des ersten Betriebsplans hat der Unternehmer nachzuweisen, daß er eine allgemeine Beschreibung des geplanten Untergrundspeichers unter möglichst genauer Angabe der Lage und der voraussichtlich größten Ausdehnung im Untergrund durch Veröffentlichung in mindestens zwei der im Bereich des Standorts des Untergrundspeichers allgemein verbreiteten Tageszeitungen mindestens einen Monat vorher bekanntgemacht hat. Bei nachträglichen Veränderungen ist dieser Nachweis erneut zu erbringen, wenn sich die Ausdehnung des Untergrundspeichers im Untergrund wesentlich ändert.
(2) Eine Untersuchung des Untergrundes auf seine Eignung zur Errichtung von Untergrundspeichern liegt nur vor, soweit damit eine Aufsuchung nicht verbunden ist.
(3) Auf die Errichtung und den Betrieb einer Anlage zur Lagerung, Sicherstellung oder Endlagerung radioaktiver Stoffe im Sinne des Atomgesetzes in der Fassung der Bekanntmachung vom 31. Oktober 1976 (BGBl. I S. 3053), zuletzt geändert durch Artikel 14 des Gesetzes vom 28. März 1980 (BGBl. I S. 373), sind die §§ 39, 40, 48, 50 bis 74 und 77 bis 104 und 106 entsprechend anzuwenden, wenn die Anlage ihrer Art nach auch zur unterirdischen behälterlosen Speicherung geeignet ist.
Hier sind also Wärmespeicher noch nicht explizit angesprochen, abgleich sie auch dem Bergrecht unterliegen.
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