Wärmespeicher sind Einrichtungen, die thermische Energie aufnehmen, eine Zeit lang halten und später wieder abgeben. Sie gehören damit zur Klasse der Energiespeicher mit dem Ziel, Entstehung und Nutzung von Wärme zeitlich zu entkoppeln. Wo Wärme unregelmäßig anfällt, aber gleichmäßig gebraucht wird — oder umgekehrt —, überbrückt der Speicher die Lücke.
Drei physikalische Grundtypen
- Sensible Wärmespeicher: Sie verändern beim Be- und Entladen ihre fühlbare Temperatur. Entscheidender Stoffwert ist die spezifische Wärmekapazität: Wasser liegt bei rund 4,19 Kilojoule je Kilogramm und Kelvin, Beton und Gestein deutlich darunter. Weil kein Phasenübergang nötig ist, funktionieren sensible Speicher über einen breiten Temperaturbereich — bis in den Hochtemperaturbereich hinein.
- Latentwärmespeicher (PCM): Sie ändern den Aggregatzustand des Speichermediums und nutzen die Umwandlungsenthalpie. Solange der Phasenwechsel läuft, steigt die Temperatur trotz weiterer Wärmezufuhr nicht an — die Energie ist sozusagen verborgen gespeichert. Wasser gibt beim Erstarren etwa 334 Kilojoule je Kilogramm ab und übertrifft damit die speicherbare Menge eines Warmwasserspeichers im gleichen Temperaturfenster deutlich. Als Phasenwechselmaterial dienen Salzhydrate wie Glaubersalz oder Paraffine.
- Thermochemische Wärmespeicher (Sorptionsspeicher): Sie speichern über endo- und exotherme Reaktionen, etwa mit Silicagel oder Zeolithen. Weil die Wärme chemisch gebunden statt thermisch anliegend vorliegt, verlieren sie kaum etwas an die Umgebung.
Für die Auswahl zählt neben dem Temperaturniveau auch die Energiedichte, also die je Volumen oder Masse speicherbare Energiemenge. Weitere Kennzahlen sind Be- und Entladezeit, die maximal zulässige Beschickungstemperatur, der Nutzungsgrad und die erreichbare Zahl der Speicherzyklen.
Kurzzeit- und Langzeitspeicher
Kurzzeitspeicher halten Wärme über Stunden bis wenige Tage und bestehen meist aus stehenden Wasserbehältern. Langzeitspeicher decken den saisonalen Bedarf: Im Sommer aufgenommen, im Winter abgegeben. Typische Bauformen sind der Heißwasser-Wärmespeicher, der Kies-Wasser-Speicher, der Erdsonden-Wärmespeicher mit bis zu hundert Metern Tiefe und der Aquiferspeicher im Grundwasser, der nur bei stehendem Grundwasser funktioniert. Genau diese Sonden-Wärmespeicher knüpfen an die Erdwärmesonde an: Im Sommer wird Wärme ins Erdreich geführt und im Winter zurückgeholt.
Wo Speicher gebraucht werden
In Heizanlagen mit Holz- oder Pelletkessel liefert der Speicher die Leistungsspitzen, weil der Kessel unter Volllast am besten arbeitet. Wärmepumpen profitieren von längeren Laufzeiten und dem Abtaupuffer, Solarthermieanlagen von der Verlagerung des Solarertrags in die Abendstunden. In der Fernwärme glätten große drucklose Behälter die Tagesverbrauchsspitze: Nachts wird geladen, morgens entladen, sodass die Erzeugungsanlagen konstanter laufen.
Im Rechenzentrum ist der Fall umgekehrt gelagert: Dort fällt die Abwärme kontinuierlich an, während der Wärmebedarf außerhalb der Betriebszeiten liegt. Ohne Speicher bleibt die Nutzung deshalb auf den eigenen Betrieb beschränkt, und die Wärmepumpe muss das Temperaturniveau anheben, sobald anderswo Bedarf entsteht.
Verluste und Abgrenzung
Jeder sensible Speicher verliert Wärme über seine Oberfläche; die Verlustleistung hängt von der Größe der Hüllfläche, der Dämmung und der Temperaturdifferenz zur Umgebung ab. Gute Dämmung vermeidet zusätzlich Wärmebrücken. Thermochemische Speicher sind hier im Vorteil, weil sie die Wärme nicht als Temperaturniveau vorhalten.
Abzugrenzen ist der Wärmespeicher von der Wärmerückgewinnung: Diese beschreibt das Verfahren, mit dem Wärme aus einem abgehenden Stoffstrom zurückgeholt wird, während der Wärmespeicher die zurückgeholte oder erzeugte Wärme für später vorhält. Die konkrete Bauform im Heizungskeller ist der Pufferspeicher, und wer den Phasenwechsel von Wasser nutzt, baut einen Eisspeicher.
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