Hochtemperaturwärmespeicher

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.

Materialklassen

Phasenwechselmaterialien, auch Latentspeichermaterialien genannt, finden hier ebenso Anwendung wie Sensible Speichermaterialien. Klassisch werden Speichersalze als PCM und Feststoffe (Beton, Speichergranulate, Aluminiumoxid, Schotter, Kies, …) als Sensible Speichermaterialien eingesetzt.

Phasenwechselmaterialien (PCM, Phase Changing Materials)

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.

Sensible Speichermaterialien

Sensible Speichermaterialien haben zwar eine niedrigere Wärmekapazität, 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.

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

Stahlwerk Phönix-West, mit 3 Cowpern

Anwendung

Funktionsschema „Andasol“, Salzspeicher integriert.

• CSP, solarthermische Kraftwerke: 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“ 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.
• Regeneratoren als Hochtemperaturspeicher
• Mobile Hochtemperaturspeicher
• Netzstabilisierung und Sektorenkopplung: als Teil sog. dezentrale Speichersysteme (Carnot-Batterien) z. B. in Quartierslösungen. 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.