Dieser Artikel befasst sich mit Wärmespeichern für Temperaturen über 500 °C. Für andere Temperaturbereiche siehe den Artikel Wärmespeicher.
Hochtemperaturspeicher, genauer Hochtemperaturwärmespeicher, sind eine Untergruppe der Wärmespeicher und werden in der Literatur als HTS (High Temperature Storage/Hoch-Temperatur-Speicher) oder HTES (High Temperature Energy Storage/Hochtemperaturwärmespeicher) bezeichnet.
Phasenwechselmaterialien, auch Latentspeichermaterialien genannt, finden hier ebenso Anwendung wie Sensible Speichermaterialien. Klassisch werden Speichersalze[1][2] als PCM und Feststoffe (Beton[3], Speichergranulate[4], Aluminiumoxid[5], Schotter[6], Kies, …) als Sensible Speichermaterialien eingesetzt.
Die wichtigste Gruppe der Speichersalze sind Salzhydrate. Für den Hochtemperaturbereich werden nur wasserfreie Salze bzw. deren Mischungen eingesetzt. Bis ca. 600 °C (maximale Einsatztemperatur) wird großtechnisch vor allem eine Mischung aus Kaliumnitrat und Natriumnitrat verwendet. Diese Mischung hat einen Schmelzpunkt von 290 °C und kann 170MJ/t an thermischer Energie aufnehmen. Carbonatsalze arbeiten zwischen 450 °C und 850 °C und sind somit die Gruppe der Salze mit den höchsten Einsatztemperaturen.[7]
Sensible Speichermaterialien
Sensible Speichermaterialien haben zwar eine niedrigere Wärmekapazität[8], unterliegen aber nicht den Beschränkungen der Salzspeicher. Sensible Speichermaterialien lassen sich theoretisch bereits ab Raumtemperatur einsetzen. Die maximale Anwendungstemperatur ist wiederum materialabhängig. Metalle wie Stahl oder Gusseisen lassen sich bis ca. 800 °C nutzen, Mineralien wie Magnesiumgesteine bis 1.200 °C, und künstlich hergestellte Materialien sogar bis über 1.300 °C.[9]
Aufgrund der unterschiedlichen Charakteristiken der PCM- und Sensiblen Speichermaterialien werden oft auch die Anwendungen entsprechend eingegrenzt.
Vor- und Nachteile der Speichermaterialien
Parameter
Salzspeicher
sensible Speicher
Vorteile
Anwendungstemperatur
Breiter Temperaturbereich in der Anwendung (bis > 1.300 °C)
Speicherdichte
Hohe Speicherdichte in einem definierten Temperaturbereich
Materialkosten
gering
gering
Verfügbarkeit
hoch
hoch
Wärmeträger
Speichermaterial kann gleichzeitig als Wärmeträgermedium genutzt werden
Viele Wärmeträger (Salze, Öl, Dampf, Gase) möglich
Bauform
Ein- oder Zweitanksysteme
kompakt und einfach
spezifisches Invest
50–150 €/kWh
20–30 €/kWh
Exergieniveau
hoch
Nachteile
Enger Temperaturbereich, beispielsweise 270 °C – 550 °C für Nitratsalze
Im mit Salzen vergleichbaren Temperaturbereich ca. 30 % niedrigere Speicherkapazität
Einfrieren der Anlage
Eingesetzte Salze können sich thermisch zersetzen
Investitionskosten für die komplette Anlage
Viele Salze wirken korrosiv auf Behältermaterialien, die entsprechend hochwertig sein müssen und damit teuer sind
CSP, solarthermische Kraftwerke[10]: Hier werden i.d.R Salzspeicher eingesetzt. Eines der ersten CSP-Kraftwerke, welches einen solchen Speicher fährt, wird in Spanien betrieben: Andasol
Stahlindustrie: In sogenannten „Cowpertürmen“[11] werden Gichtgase verbrannt. Dabei erhitzen sie die im Turm eingebauten Steine. Wird der Hochofen erneut angefahren, wird kalte Luft durch die Cowper geblasen und das gesamte Brennsystem auf 800–900 °C vorgewärmt.
Netzstabilisierung und Sektorenkopplung: als Teil sog. dezentrale Speichersysteme (Carnot-Batterien) z. B. in Quartierslösungen[14][15]. Dabei wird Überschussstrom aufgenommen, in Wärme gespeichert und in Bedarfszeiten über eine Rückverstromung wieder ins Stromnetz gespeist.
Literatur
Fisch u. a.: Wärmespeicher, hrsg. vom Fachinformationszentrum Karlsruhe, BINE Informationsdienst, 4., überarbeitete Aufl. 2005, DIN A5, kartoniert, 120 Seiten, TÜV Verlag 2005, ISBN 3-8249-0853-0.
Andreas Hauer, Stefan Hiebler, Manfred Reuß: Wärmespeicher. 5. vollständig überarbeitete Auflage, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2013, ISBN 978-3-8167-8366-4 (Grundlagen verschiedene Speichertechnologien, Speichermedien, Wirtschaftlichkeit)
Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage, Berlin Heidelberg 2017, ISBN 978-3-662-48893-5.
