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Thermische Energiespeicherung

--- allgemeine Beschreibung des Forschungsgebiets der Energiespeicherung und Herausheben dessen Relevanz ---

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Warmwasserspeicher

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Phasenwechselmaterial

Eine Möglichkeit zur effizienten Speicherung von Wärme und Kälte ist der Einsatz von Phasenwechselmaterialien (engl.: Phase Change Material, kurz: PCM). Phasenwechselmaterialien nutzen zusätzlich zur fühlbar speicherbaren Wärme die Energie, die beim Wechsel des Aggregatszustands (in den meisen Fällen fest – flüssig) umgesetzt wird. Diese Form der Wärmespeicherung wird als latente Wärmespeicherung bezeichnet, da sich während des Phasenwechsels die Temperatur nur gering ändert.

Da die spezifische Wärmekapazität der meisten Phasenwechselmaterialien kleiner ist als die des gebräuchlichsten Wärmespeichermediums Wasser, wird eine deutliche Erhöhung der Speicherdichte im Vergleich zu einem herkömmlichen Wasserspeicher allerdings nur dann erreicht, wenn die Wärme innerhalb eines ausreichend engen Temperaturintervalls um die Phasenwechseltemperatur gespeichert wird. Aus diesem Grund muss die Wahl des Speichermediums gut an das geforderte Temperaturniveau der Anwendung angepasst werden. 

Für Anwendungen im Bereich Gebäudebeheizung und Brauchwassererwärmung kommen Phasenwechselmaterialien in Frage, die einen Phasenwechsel von fest nach flüssig im Temperaturbereich von etwa 20 – 100 °C durchlaufen. Die bekanntesten Vertreter für diesen Anwendungsbereich sind Paraffine und Salzhydrate. Das bekannteste für Kühlanwendungen eingesetzte Phasenwechselmaterial ist Wasser. Die typischen Vertreter von Phasenwechselmaterialien verfügen über eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was für die Dynamik bei der Be- und Entladung von Wärmespeichern von Nachteil ist. Im Rahmen des Projektes SmartHeat wurde deshalb am ITW ein Paraffin/Graphit- Verbundmaterial entwickelt, das eine um den Faktor 20 höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als reines Paraffin.

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Thermochemische Speicher

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Saisonale Wärmespeicher

Techniken zur saisonalen Speicherung von solar erzeugter Wärme wurden erstmalig in den 1970er Jahren in Schweden als Antwort auf die Ölkrise entwickelt und erprobt. Seit Anfang der 1980er Jahre beschäftigt sich das ITW intensiv mit der Weiterentwicklung von saisonalen Wärmespeichern. So wurde 1982 der erste saisonale Wärmespeicher Deutschlands - ein Kies/Wasser-Wärmespeicher - am ITW gebaut und viele Jahre lang zur Beheizung und Kühlung unseres Institutsgebäudes genutzt.
 
Bisher wurden vier Speichertypen entwickelt und in kommerziellen Anlagen erprobt: Warmwasser-Wärmespeicher, Kies/Wasser-Wärmespeicher, Erdsonden-Wärmespeicher und Aquifer-Wärmespeicher. Alle vier Typen zeichnen sich daurch aus, dass technische Effizienz und Wirtschaftlich bisher nur bei sehr großen Speichervolumina ab 1.000 m3 erreicht werden konnten. Moderne Wärmespeicher und Betriebsweisen mit Wärmepumpe lassen dann Speichernutzungsgrade zwischen 70 % und 100 % auch bei mehrmonatiger Dauer der Wärmespeicherung zu. Dabei lasssen sich Wärmegestehungskosten von unter 20 Cent/kWh erreichen.
 
 

Speichertypen

 

Aktuell befasst sich das ITW mit der wissenschaftlich-technischen Begleitung von solaren Nahwärmeanlagen mit saisonaler Wärmespeicherung im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), zuletzt mit der Begleitung der Anlagen in Friedrichshafen, Rostock, Neckarsulm, Crailsheim und Eggenstein-Leopoldshafen. Die Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten liegen dabei auf der Verbesserung der Wärmedämmung sowie der hydraulischen Einbindung der Wärmespeicher in die Nahwärmeanlagen mittels Wärnmepumpen.
 

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Kontakt

Warmwasserspeicher: Dipl.-Ing. Stephan Bachmann

Phasenwechselmaterialien: Dipl.-Ing. Stephan Bachmann

Thermochemische Speicher: Dr.-Ing. Henner Kerskes

Saisonale Wärmespeicher: Dr.-Ing. Roman Marx

 

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