Wärmespeicher (HLK)

Wärmespeicherung bezieht sich auf die Anwendung der Speicherung von Wärmeenergie in Materialien zur späteren Nutzung. Die folgende Abbildung zeigt den Lade- und Entladezyklus für thermische Speichersysteme, dh das Speichern von Energie (Laden) und die Nutzung der Energie zu einem späteren Zeitpunkt zum Nutzen des Benutzers (Entladen).

Thermische Speicherung kann zu einer Reduzierung der Betriebskosten führen, indem die Energie in Zeiten niedriger Energieversorgungskosten (Neben-/Nachtzeit) produziert und gespeichert wird und die gespeicherte Energie in Zeiten hoher Energieversorgungskosten (Spitzen-/Tagzeit) genutzt wird.

Thermische Energie kann auf drei Arten gespeichert werden:

1. Sinnvolle Lagerung
2. Latente Speicherung
3. Thermochemische Lagerung.

Darüber hinaus sind die beiden gängigen thermischen Speicherstrategien:

1. Load-Leveling-Strategie
2. Lastverschiebungsstrategie

Sinnvolle Wärmespeicherung

Unter sensibler Wärmespeicherung versteht man die Wärmespeicherung innerhalb eines Mediums, die zu keiner Zustandsänderung führt (z. B. flüssig bleibt flüssig oder fest bleibt fest). Die zwei Hauptquellen für die Speicherung sensibler Wärme, die für gewerbliche Gebäude geeignet sind, sind:

1. Wasserspeicher – Aufgrund der hohen Wärmekapazität von Wasser werden Tanks häufig als Wärmespeichermedium in Kühlwasser- und Warmwassersystemen verwendet
2. Gebäudemasse – Durch die Erhöhung der thermischen Masse des Gebäudes durch dichtere Materialien (Ziegel, Betonplatten usw.) können Lastspitzen minimiert werden. Diese dichten Materialien sind in der Lage, den ganzen Tag über Wärme zu speichern, Wärme zurück in den Raum zu strahlen, wenn die Umgebungstemperatur gesunken ist, oder alternativ über Nacht abzukühlen und tagsüber Wärme aus dem Raum zu entfernen.

Latentwärmespeicher

Anders als sensible Wärmespeicher nutzen Latentwärmespeicher ein Medium, das Wärme durch Zustandsänderung (z. B. flüssig zu fest) überträgt. Angesichts dieser zusätzlichen Phasenwechselfähigkeit haben Latentwärmesysteme bei gleicher physikalischer Größe eine größere Energiespeicherkapazität als Speichersysteme für sensible Wärme. Die wichtigsten Methoden der Latentwärmespeicherung in der HLK-Branche sind:

1. Eisspeicher – Eis wird erzeugt und entweder direkt oder indirekt zur Kühlung des Kaltwassersystems verwendet
2. Phasenwechselmaterial (PCM) – PCM verwendet typischerweise spezielle Salzformulierungen, um den Gefrierpunkt des Materials über die Kaltwasserversorgungstemperatur zu erhöhen, sodass das Material mit gekühltem Wasser eingefroren werden kann, um die Energie für die spätere Verwendung zu speichern
3. PCM-Bausubstanz – Phasenwechselmaterialien können in der Bausubstanz verwendet werden, um die Wärmespeicherung in der Gebäudemasse zu erhöhen.

Angesichts der mit Latentwärmespeichern verbundenen erhöhten Kapitalkosten sind sie nicht so weit verbreitet wie Lösungen zur Speicherung sensibler Wärme. Da latente Lösungen jedoch weniger wiegen und physikalisch kleiner sind als gleichwertige vernünftige Lösungen, können die Kapitalkosten möglicherweise durch strukturelle Einsparungen ausgeglichen werden.

Thermochemische Lagerung

Thermochemische Speicherung ist eine thermische Speicherlösung, die eine reversible chemische Reaktion im Medium zur Wärmeübertragung nutzt. Ähnlich wie die anderen oben diskutierten thermischen Speicherlösungen besteht die thermochemische Speicherung aus drei Hauptstufen, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind.

Während des Ladezyklus nimmt ein thermochemisches Material Wärme durch eine endotherme Reaktion (Wärmezufuhr) auf und erzeugt zwei Produktchemikalien (Chemikalien A + B). Die Chemikalien A + B werden dann getrennt und gelagert. Während des Entladungszyklus werden diese Chemikalien durch eine exotherme Reaktion (Wärmeabgabe) rekombiniert, wodurch das ursprüngliche thermochemische Material reformiert und Wärme freigesetzt wird.

Der Hauptvorteil der thermochemischen Speicherung besteht darin, dass sie etwa die sechsfache Speicherkapazität der führenden Latentlösungen bietet. Aufgrund der hohen Kapitalkosten ist die Akzeptanz der thermochemischen Speicherung in der Industrie jedoch gering.

Load-Leveling-Strategie

Eine Lastausgleichsstrategie zielt darauf ab, die Gebäudelasten über den Tag hinweg auszugleichen. Eine solche Strategie kann durch die Verwendung eines thermischen Speichers implementiert werden, bei dem das System entladen wird, wenn die Gebäudelast größer als die Kühlleistung ist, und geladen wird, wenn die Gebäudelast niedriger als die Kühlleistung ist. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt, in der die Kältemaschinenlast konstant 50 % der Gebäudelast beträgt. Der Hauptvorteil des Lastnivellierungssystems besteht darin, dass die erforderliche Kühlergröße reduziert werden kann.

Lastverschiebungsstrategie

Bei der Lastverschiebungsstrategie wird der Wärmespeicher außerhalb der Spitzenlastzeiten geladen, sodass die gespeicherte Energie während der Spitzenlastzeiten genutzt werden kann. Es zielt darauf ab, die gesamte Hauptlast in die Nebenverkehrszeiten zu verlagern, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Durch das Reduzieren oder Eliminieren des Kühlerbetriebs wird der Stromverbrauch während des Tages reduziert. Diese Strategie wird häufig verwendet, um die niedrigeren Energiekosten außerhalb der Spitzenzeiten zu nutzen.

Ministerium für Umwelt und Energie (Australien)