Fernwärmespeicher

Fernwärmespeicher (engl. district heating accumulator tower) sind zumeist drucklose, mit Wasser gefüllte Behälter, die Schwankungen im Wärmebedarf des Fernwärmenetzes bei gleicher Erzeugungsleistung der Fernheizwerke ausgleichen sollen. Natürlich kann diese Art der Wärmespeicher auch in Fernkältenetzen zur Speicherung von Kaltwasser eingesetzt werden.

Fernwärmenetze liefern den Kunden die notwendige Wärme für Heizzwecke, Warmwasserbereitung und als Prozesswärme. Der Wärmebedarf bei Tag (etwa in der Zeit von 7 bis 20 Uhr) ist wesentlich höher als in der Nacht und insbesondere die Tagesverbrauchsspitze in der Zeit von 7 bis 9 Uhr ist manchmal fast dreimal so hoch wie die Leistungsabgabe in der Nacht. Diese Leistungsspitzen müssen durch die Fernwärme-Erzeugungsanlagen bereitgestellt werden, was die kurzfristige Inbetriebnahme von Heizkesseln für nur wenige Minuten am Tag erfordern kann. Um die Fernwärmeerzeugung effizienter zu machen, besteht die Möglichkeit, in der Nacht Wärme in den Fernwärmespeicher zu laden und diese am Tage, insbesondere in der Morgenspitze, wieder zu entnehmen.

Berechnung der Speicherdichten

Die Speicherdichte <math> \Q </math> (kWh/m³) gibt als Kenngröße an, wie viel Energie (kWh) in einen Kubikmeter Speicher gepuffert werden kann. Sie errechnet sich – im Falle ohne Phasenumwandlung – durch:

<math> \Q = \frac{\rho \, cp\, \Delta T}{3600} </math>

wobei:

<math> \Delta T </math> die Temperaturdifferenz zwischen einströmenden und ausströmenden Medium des Speichers in Kelvin,

<math> \rho </math> die Dichte in kg m⁻³ und

<math> cp </math> die Wärmekapazität kJ kg⁻¹ K⁻¹ ist.<ref name="Schramek" />

Bei einer Phasenumwandlung wird die Speicherdichte zusätzlich erhöht. Die im Phasenwechsel gespeicherte Energie errechnet sich zu:

<math> \Q = \frac{\rho {L}} {3600}</math>

wobei:

<math> \rho </math> die Dichte in kg m⁻³

L ist die Schmelzenthalpie kJ kg⁻¹

Typische Speicherdichten

• Kältespeicher auf Basis einer Wasserfüllung: 7 kWh/m³
• Kältespeicher mit Phasenumwandlung von Wasser (fest-flüssig): 60 bis 80 kWh/m³
• Druckloser Fernwärmespeicher auf Basis einer Wasserfüllung: 40 kWh/m³
• Fernwärmedruckspeicher: 90 kWh/m³

Aufbau und Betrieb von Fernwärmespeichern

Fernwärmespeicher lassen sich grundsätzlich nach der Bauweise und nach dem Betrieb einteilen.

Einteilung nach Bauweise

Bei der Einteilung nach Bauweise unterscheidet man in

• drucklose Fernwärmespeicher, also bis maximal 100 °C betreibbare, und
• Druckspeicher, die mit über 100 °C und gegebenenfalls bis ca. 150 °C betreibbar sind.<ref name="Vortrag Fernwärmespeicher">Andreas Oberhammer: Fernwärmespeicher. Fernwärmetage 2012 (PDF-Datei).</ref>

Beim drucklosen Speicher nimmt der Fernwärmespeicher selbst die Volumenänderung auf, die durch die Erwärmung entsteht. Ein Beispiel für diese Bauart ist der Fernwärmespeicher des Kraftwerkes Theiß (Siehe Foto). Nicht möglich ist dies bei Druckspeichern. Dort muss die Volumenänderung aufgrund der Wärmedehnung des Wassers durch die Druckhaltung aufgenommen bzw. abgeführt werden. Ein Bauartbeispiel hierfür ist der Fernwärmespeicher in Maria Gugging (Siehe Foto). Der drucklose Speicher kann gleichzeitig als Druckhalteeinrichtung genutzt werden, so wie dies beim 2011 in Betrieb genommenen Salzburger Fernwärmespeicher realisiert wurde. Voraussetzung dafür ist, dass der Wasserspiegel des Speichers genau auf den hydrostatischen Nullpunkt des Fernwärmenetzes liegt.

Ist dies nicht der Fall, so ist es bei drucklosen Speichern erforderlich, bei Entnahme von Wärme das Fernheizwasser über eine Drossel in den Speicher hineinzulassen und andererseits das heiße Wasser von der Oberseite mittels einer Pumpe auf den Druck des Fernheiznetzes zu bringen. Damit stellt der Fernwärmespeicher gleichzeitig die Druckhaltung für das Fernwärmenetze dar. Dieser Energieaufwand kann jedoch ebenso bei den Druckspeichern entfallen, bei denen nur das Volumen der Wärmeausdehnung in der Druckhalteanlage gedrosselt oder gepumpt werden muss.

Einteilung nach Betriebsweise

Man kann die Fernwärmespeicher auch funktional nach der Betriebsweise und damit der Anzahl von Ladezyklen einteilen. Bei dieser Herangehensweise lassen sich folgende Arten unterscheiden:

• Kesselmindestlastspeicher,
• Morgenspitzenspeicher,
• Tagesspeicher und
• Wochenendspeicher.<ref name="Vortrag Fernwärmespeicher" />

Kältespeicher

Speicher für Kälte sind grundsätzlich ähnlich aufgebaut wie Fernwärmespeicher. Aufgrund der meist geringen Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf sind diese jedoch bezogen auf Ihre Speicherarbeit zumeist besonders groß.

Eisspeicher

Bei Kältespeichern gibt es noch die Besonderheit der Eisspeicher, die früher als Eiswasserspeicher in Molkereien und Brauereien in Anwendung waren. Dabei wird das Kältemittel (früher zumeist Ammoniak, heute oftmals das FKW-Kältemittel 134a) direkt innerhalb von in einem Wasserbecken liegenden Stahlrohren verdampft. An der Außenseite bilden sich Eisschichten. Dieses Eis speichert die Kälte perfekt, sodass bei stoßartiger Kühlwasserentnahme aus dem Wasserbecken genügend Kälte bereitgestellt werden kann.

Anwendungsbeispiel: In der Milchsammelstelle wurde früher morgens und/oder abends warme Milch angeliefert, die in kurzer Zeit abgekühlt werden musste, was periodisch wiederkehrend kurzfristig hohe Kühlenergien erforderlich machte. Für diese Anwendung ist die Eiswasserspeicheranlage auch heute noch ideal, da das für die Kühlung notwendige Eis über die Nacht oder zumindest über eine längere Dauer und mit einer leistungsschwächeren Kühlmaschine erzeugt werden kann als bei einer Direktkühlung. Müssen beispielsweise 6.000 Liter Milch von 30 °C auf 4 °C zügig abgekühlt werden, so wird dazu eine Eismasse von ca. 2.000 kg benötigt.

Bei neueren Anlagen wird die Kälte von der Kältemaschine direkt auf ein Wasser-Glykolgemisch bei Minusgraden übertragen, das in Kunststoffleitungen in mehreren Rohrreihen durch das Kühlwasserbecken fließt. An den Rohrschlangen bildet sich nun wieder Eis, welches über die hohe Schmelzenthalpie wesentlich mehr Kälte speichern kann als Wasser.<ref name="Schramek">Ernst-Rudolf Schramek: Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik. 07/08. Stand: 11. September 2010. (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche)</ref>

Die mit Eisspeichern erreichte Kosteneinsparung basiert darauf, dass die für die Spitzenlastdeckung vorgesehene Kompressionskältemaschine nicht in der Hochtarifzeit läuft und die notwendige Kälte vom Eisspeicher bereitgestellt wird. In den Nachtstunden (Niedertarifzeit) wird er von der Kältemaschine wieder aufgeladen und somit für den Tag neues Eis bereitgestellt. Neben diesem Kostenvorteil durch günstigere Stromtarife gibt es auch noch einen thermodynamischen Vorteil: In der Nacht ist, bedingt durch die niedrigere Außentemperatur, die Arbeitszahl der Kältemaschine besser, weshalb die für die Eisherstellung notwendige tiefere Temperatur bei geringfügig besserer Arbeitszahl erzeugt werden kann.<ref>Eisspeicher Photos tu-dresden.de, Stand: 11. September 2010.</ref>

Liste großer Fernwärmespeicher und Kältespeicher

Siehe auch

• Wärmespeicher
• Puffer (Heiztechnik)
• Richardson-Zahl

Weblinks

• Machbarkeitsstudie (PDF; 16,3 MB) zur Stärkung der Kraft-Wärme-Kopplung durch den Einsatz von Kältespeichern in großen Versorgungssystemen, Chemnitz

Einzelnachweise

<references />