Wasserspeicher

Relevante Energieformen

Gespeicherte Energieform:

Kälte (T < 25 °C), Wärme (T < 100 °C)

Kurzbeschreibung

Physikalisches Prinzip:
Veränderung der fühlbaren Temperatur beim Lade- oder Entladevorgang (Wärmeaufnahme oder -abgabe)

Prozessablauf:
Wasserspeicher beinhalten als Speichermedium je nach Bedarf warmes oder kaltes Wasser und werden zwischen Wärmeerzeuger (primärer Vor- und Rücklauf) und Wärmeverbraucher (sekundärer Vor- und Rücklauf) installiert. Bei mehreren Wärmeerzeugern oder Verbrauchern können weitere Anschlüsse vorhanden sein. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten wird die Behälter-Ummantelung mit Dämmung versehen. Wasserspeicher können direkt oder indirekt über einen Wärmeübertrager mit der Wärmequelle verbunden sein. Das temperierte Wasser wird von einem Wärme- bzw. Kälteerzeuger (z.B. Pelletkessel oder Solarthermieanlage) aufgenommen und bei Bedarf an den Verbraucher (z.B. Heizkörper oder Fußbodenheizflächen) abgegeben. Pufferspeicher werden eingesetzt zur Verbesserung des Wirkungsgrades und zur Überbrückung von Stromsperrzeiten bei Wärmepumpen und zur Zwischenspeicherung von Abfallwärme (Holzheizungen, Solaranlagen).
Wasserspeicher können auch zur Kältespeicherung eingesetzt werden.

Speichermedium:
Wasser, Wasser-Frostschutz-Gemisch

Wärmeträger:
Wasser

Materialen für den Behälter:
Stahl (für 100 l bis einige Kubikmeter), Glas- oder Mineralfasern, Schaumglas, Blähglasgranulat, glasverstärkte Kunststoffe (GFK) oder wasserdichter Beton

Funktionsskizzen

Quelle: TU Darmstadt | PTW

Berechnung des Umwandlungswirkungsgrades, typische Werte

Wirkungsgrad: fast 100 %

$Nutzungsgrad \; eines \; Speichers =\frac{Speicherentladung}{dem \; Speicher \; zugef\"{u}hrte \; Energie}$

Bauarten

Zwei-Tank-Direktspeicher:
das Speichermedium ist gleichzeitig das Betriebsmedium

Zwei-Tank-Indirektspeicher:
Speicher- und Betriebsmedium sind getrennt → Wärmetauscher übertragen die Energie

Eintank-Thermokline:
Ein einzelner Tank ist gleichzeitig Wärme- und Kältetauscher

Mengen- und Schichtenspeicher:
Wenn verschiedene Temperaturbereiche gespeichert werden sollen, kommen Schichtenspeicher mit mehreren Zu- und Abflussleitungen zum Einsatz. In diesen Speichern wird das Prinzip der Schichtung (warmes Wasser befindet sich aufgrund der geringeren Dichte oben und kaltes Wasser unten) genutzt. Die Wasserschichten bleiben beim Lade- und Entladevorgang getrennt voneinander.

Im Folgenden wird die grundsätzliche Unterscheidung zwischen Kurzzeit- und Langzeitspeichern erläutert:

Kurzzeitspeicher: Warmwasserspeicher im Niedertemperaturbereich (Speicherung über Minuten bis Tage)
Langzeitspeicher: Heißwasserspeicher als Saisonalspeicher (Speicherung über Tage bis Monate)

Betriebs-Charakteristika

Bauart	Kurzzeitspeicher	Langzeitspeicher
Typische Be- und Entladeleistungen	Direktspeicher: $\.{Q}_{BES}= \.{m}_{B BES}\.{c} _{Fluid}(T_{BES,ein} - T_{BES,aus})$ mit T_BES,ein = Temperatur beim Beladen T_BES,aus = Temperatur beim Entladen Indirektspeicher: $\.{Q}_{BES}= \.{m}_{B BES}\.{c} _{Fluid}(T_{Fluid,ein} - T_{Fluid,aus})$ bzw. $\.{Q}_{BES}= (kA) _{W\"{a}rme\"{u}bertrager}(T_{BES,m} - T_{Sp,m})$
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Alters des Speichers	Die Verlustleistung ist nicht abhängig vom Alter des Speichers
Typische Speichergrößen	50 bis 1.000 m³	1.000 bis 10.000 m³

Energetische Kennwerte

Bauart	Kurzzeitspeicher	Langzeitspeicher
Verfügbare Kapazitäten (kWh)	von: wenige kWh bis: einige GWh Kapazitäten
Volumetrische Speicherdichte	Typische Speicherdichten: 60 bis 80 kWh/m³ Volumetrische Speicherdichte= (Speicherkapazität in kJ)/ (Volumen des Speichers in m³) c‘ * ΔT mit volumenspezifische Wärmekapazität (Wasser) c‘: 1,161 kWh/ (m³ K)
Gravimetrische Speicherdichte	Gravimetrische Speicherdichte = (Speicherkapazität in kJ)/ (Masse des Speichers in kg) c * ΔT mit gewichtsspezifische Wärmekapazität (Wasser) c: 4,2 kJ/(kg K)
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit der Kapazität	Ja Je kleiner das A/V-Verhältnis, desto geringer sind die Wärmeverluste Die thermische Zeitkonstante (Abkühlung bzw. Wärmeverlust je Zeiteinheit) ist direkt proportional zur spezifischen Wärme des Speichermediums und zum Volumen des Speichers sowie indirekt proportional zur Oberfläche und zur Wärmedurchgangszahl der Speicheroberfläche $Verlust: dQ/dt = (kA)_{Sp}(T_{Sp}-T_{Umg})$ mit k: Wärmeverlustkoeffizient bzw. U-Wert A: mittlere Oberfläche der Speichers Der Wärmedurchgangskoeffizient hängt von der Dicke der Ummantelung und der Wärmeleitfähigkeit des Dämmmaterials ab
Typische Verlustleistungen in Abhängigkeit des Ladezustandes	Abhängigkeit vernachlässigbar
Verfügbare Energieniveaus	Temperaturniveaus des Speichers (°C): 0–100 °C	Temperaturniveaus des Speichers (°C): 30–95 °C (drucklos)
Speichervolumen für 1 m³ Wasseräquivalent	1 m³

Wirtschaftliche Kennwerte

Bauart	Kurzzeitspeicher	Langzeitspeicher
Nutzenergiekosten/kWh	26,7 €/kWh (sehr geringe Kosten → keine Fluid/Speichermedium ist günstiger als Wasser)
Laufende Kosten p.a./kW	k.A.
Investkosten/kW	0,5–7 €/kWh Kinv,Speicher = -8,15 x ln(VSpeicher) + 967,34 mit VSpeicher = ρWasser x (Qth, Speicher)/(cp, Speicher * ΔT) Kinv,Speicher: spezifische Investition in €/m³ VSpeicher: Speichervolumen in m³ Qth, Speicher: Kapazität des Speichers in kWh ρWasser: Dichte des Wassers cp, Wasser: spezifische Wärmekapazität von Wasser ΔT: Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf spezifische Kosten in Euro/Liter / Volumen in Liter
Platzbedarf/kWh	Der Platzbedarf ist gegenüber anderen Speichertechnologien als sehr hoch zu betrachten, besonders bei Langzeitspeichern
Typische Lebensdauer in Jahre	k.A.
Erwartete Baukosten für einen Speicher mit 10.000 m³ Wasseräquivalent (WÄ), bezogen auf 1 m³ WÄ	k.A.	90–110 €/m³

Technologische Kennwerte

Bauart	Kurzzeitspeicher	Langzeitspeicher
Negative Aspekte der Ökobilanz (alle Lebensphasen)	keine negativen Aspekte (siehe ÖKOBAUDAT)
Gefährdungspotenzial	Geringes Gefährdungspotenzial (ökologisches Gefährdungspotenzial ist bei Frischwassersystemen gering, auch bei Brauchwassersystemen ist das Gefährdungspotenzial gering, da das Wasser ständig in Bewegung ist, jedoch könnte es bei Niedertemperaturspeichern zur Besiedlung von Legionellen-Bakterien kommen)
Systemkomplexität	robuste Bauweise, einfach durch Laien zu bedienen

Subjektive Technologie-Portfolio-Analyse

Technologieattratktivität	Industrielle Umsetzbarkeit	Umsetzbarkeit	Ist es technisch denkbar, diese Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität einzusetzen? (Grün = Ja, Gelb = Ggf., Rot =Nein)
		Komplexität	Wie komplex wäre der Einsatz dieser Technologie zur Bereitstellung von Energieflexibilität? (Grün = einfach, Gelb = eher komplex, Rot = sehr komplex oder nicht möglich)
		Anwendbarkeit bei Industriepartnern	Wäre eine Flexibilisierung solcher Anlagen bei Industriepartnern direkt möglich? (Grün = Ja, Gelb=Nur mit größeren Umbaumaßnahmen, Rot = Nein)
	Einsatzhäufigkeit und Verbreitung	Verbreitung in Deutschland	Wie ist der Verbreitungsgrad der Technologie in Deutschland einzuschätzen? (Grün = hoch, Gelb = mittel, Grün = niedrig)
	Umrüstaufwand und Integration	Technology Readiness Level	Wie weit ist die Technologie entwickelt? (Grün = TRL 7-9 Gelb = TRL 4-6, Rot = 1-3)
	Umrüstaufwand und Integration	Umrüstaufwand zur nachträglichen Integration	Wie wird der Aufwand zur Befähigung der Anlage eingeschätzt? (Grün = niedrig ,Gelb = mittel, Grün = noch)
Ressourcenstärke	Übertragbarkeit	Übertragbarkeit	Wie gut lässt sich eine Lösung zur Flexibilisierung dieser Anlage auf andere Anlagen übertragen? (Grün = Technologien sind immer ähnlich aufgebaut, Lösungen sind also übertragbar, Gelb = Keine Aussage möglich, Rot = Sehr Prozessspezifisch bzw. standortspezifisch)
	Wirtschaftlichkeit	Spezifische Speicherkosten	Wie hoch sind die spezifischen Speicherkosten (Grün = niedrig , Gelb = mittel, Rot = hoch)
		Spezifische Platzbedarf	Wie groß ist die volumetrische Speicherdichte (Grün = Hoch, Gelb = Mittel, Rot = Niedrig)
		Speicherverluste	Wie groß ist die Verlustleistung über die Zeit? (Standverluste, Grün = Langzeitspeicher Gelb = Stundenspeicher, Rot = Kurzzeitspeicher)

Entwicklungstendenz

Für Wasserspeicher als Kurzzeitspeicher ist keine Entwicklungstendenz zu erkennen, da der aktuelle Entwicklungsstand bereits hoch ist. Aktuelle Forschungen beziehen sich auf saisonale Speicher (Langzeitspeicher in Kombination mit Solarwärmeanlagen. Hier ist eine enorme Entwicklungstendenz, besonders in Bezug auf die bautechnische Ausführung der Anlagen, vorauszusehen.

Zusammenfassung genereller Vor- und Nachteile

Vorteile

Wärmeerzeuger- und Wärmeverbraucher-Kreislauf sind unabhängig voneinander, sodass eine Beladung des Speichers erfolgen kann, auch wenn zu dem Zeitpunkt keine Wärme im System benötigt wird
die Takthäufigkeit des Wärmeerzeugers wird mit Hilfe eines Wasserspeichers optimiert, wodurch der Energieertrag verbessert und die Lebensdauer des Wärmeerzeugers erhöht wird
Wärmeangebot und Wärmenachfrage können aneinander angeglichen werden (z.B. bei Solaranlagen, da das Wärmeangebot tagsüber am höchsten ist oder bei Wärmepumpen, um vereinbarte Abschaltzeiten zu überbrücken)
hohe Entnahmeleistung bei Temperaturschichtung
einsetzbar zur Speicherung von nicht genutzter industrieller Prozessabwärme
unabhängig von der geologischen Bodenbeschaffenheit
Wasser besitzt sowohl die höchste massenspezifische sowie volumenspezifische Wärmekapazität
preisgünstig
ungiftig

Nachteile

benötigt je nach Fassungsvermögen viel Platz zum Aufstellen
kontinuierliche Wärmeverluste trotz optimaler Isolierung (Bereitschaftsverluste)

Anwendungsbeispiele

Anwendungsbeispiele für Kurzzeitspeicher:

Haushalte
Büro- und Verwaltungsgebäude

Anwendungsbeispiele für Langzeitspeicher:

Hamburg-Bramfeld, 124 Einfamilienhäuser, 4.500 m³, 1996 (Langzeitspeicher in Kombination mit einem Sonnenkollektor)
Hannover, 106 Wohneinheiten, 2.700 m³, 2000
Friedrichshafen, 12.000 m³, 1996
München-Ackermannbogen (Solarer Nahwärmesystem mit Langzeit-Wärmespeicher)

Literaturverzeichnis

Braun, Alexander (2015): Energiespeicher – Sensible Wärmespeicher, 2015
Bremer Energie Institut (2009): Entwicklung der Energieversorgung in Norddeutschland
FH Braunschweig/Wolfenbüttel (2009): Qualifikation zum/r Energieberater/in TGA-Wärmespeicherungssystemen
Gawlik, Wolfgang (2013): Speicher für die Energiewende
Krames, Helmut (2013): Thermische Großspeicher – Arten, Anwendung, Auslegung
Kunz, Peter (2007): Wärmepumpen- und Kältetechnik IV – Systeme
Oertel, Dagmar (2008): Energiespeicher – Stand und Perspektiven
Peter Markewitz, Jochen Linssen, Wilfried Hennings, Stefan Vögele (2011): Übersicht Energiespeicher
SAENA GmbH (2012): Technologien der Abwärmenutzung
Schmidt-Pleschka, Ralf et al. (2005): Wärme und Strom speichern
Schossig, Peter et al. (2005): Thermische Speicher
varmeco GmbH & Co.KG (2010): Dimensionierung von Frischwassersystemen

Technologiematrix

Alphabetische Übersicht

Energetische Übersicht