DIE GRUNDLAGEN DER SPEICHERTECHNIK - TEIL 3
Die Wärmekapazität eines (Schicht-)Speichers
- Felix Mayr
Eine häufig gestellte Frage von unseren Kunden ist, wie viel Energie ein 1.000 Liter Schichtspeicher aufnehmen kann? Wie lange kann man davon den Warmwasser- und Heizungsbedarf bedienen?
Stromkapazität eines Speichers
Auf der Stromseite ist die Kapazität relativ leicht zu bestimmen. Hat man beispielsweise eine 10 kWp (Kilowattpeak) Photovoltaik Anlage, dann liefert sie im Idealfall pro Stunde 10 kWh (Kilowattstunden) Energie. Besitzt man also einen 10 kWh Speicher, so ist dieser innerhalb einer Stunde voll und kann die gespeicherte Energie auch wieder fast komplett an Verbraucher im Gebäude abgeben.
Grundlage der Thermischen Speicherung
Bei der thermischen Speicherung wird es etwas komplizierter, da hier der Temperaturunterschied eine entscheidende Rolle spielt.
Die Wärmeenergie wird im Allgemeinen mit ΔQ bezeichnet und lässt sich wie folgt berechnen [1]:
ΔQ = m ∗ c ∗ ΔT
Masse des Wassers: [m] = kg (Kilogramm)
→ Bei einem 1000 Liter Speicher entspricht das 1000 kg
Spezifische Wärmekapazität: [c] = kJ/kgK (Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin)
→ Spezifische Wärmekapazität Wasser ca. 4,19 kJ/kg ∗ K
Temperaturdifferenz/-änderung des Wassers im Speicher: [ΔT] = K (Kelvin)
Beispielrechnung
Für das bessere Verständnis eine kleine Beispielrechnung dazu: Wie viel Energie kann ein 1.000 Liter Schichtspeicher aufnehmen, wenn er von 20°C auf 60°C aufgeheizt werden soll und wie viel Heizöl wird dafür benötigt?
ΔQ = 1.000 kg ∗ 4,19 kJ/kgK ∗ (60 – 20) K
ΔQ = 167.600 kJ
Es werden also 167.600 kJ benötigt, um die gewünschte Temperatur von 60°C zu erreichen. Doch wie lässt sich dieser Wert nun mit einer bekannten Größe vergleichen?
Teilt man diesen Wert noch durch 3.600 Sekunden, bekommt man den etwas „gängigeren“ Wert von 46,6 kWh. Das bedeutet, dass in einem Schichtspeicher, der von 20 °C auf 60 °C aufgeheizt wird, 46,6 kWh Wärmeenergie gespeichert werden kann. Ein Liter Heizöl hat einen Heizwert von knapp 10 kWh. Das heißt es werden 4,66 Liter Heizöl benötigt, um den 1.000 Liter Speicher von 20°C auf 60°C aufzuheizen. Wie lange der Aufheizvorgang dauert, hängt von der Leistung des jeweiligen Geräts ab.
Nutzbare Wärmekapazität
Dieser Wert von 46,6 kWh erscheint im ersten Moment sehr hoch im Vergleich zu einem Stromspeicher mit 10 kWh. Aber Vorsicht – hier muss man aufpassen: Entnimmt man nun die Wärme wieder aus dem Speicher, so kann man diesen in der Regel nicht wieder auf 20°C „entleeren“. Heizkörper brauchen beispielsweise Vorlauftemperaturen zwischen 40 °C und 60 °C. Je nachdem welche Temperatur der Heizkörper also benötigt um den gewünschten Raum zu erwärmen, kann der Speicher nur auf das jeweilige Temperaturniveau abgesenkt werden. Sinkt die Temperatur an der Entnahmestelle im Speicher unterhalb dieses Schwellenwertes, muss der vorhandene Wärmeerzeuger schon wieder nachheizen. Hat man hingegen eine Flächenheizung mit Vorlauftemperaturen von 30 °C, so kann eine wesentlich größere Spreizung tatsächlich genutzt werden und dem Speicher „mehr“ Wärme entnommen werden.
An dieser Stelle kann man auch nochmal einen Abstecher zu den Speicherarten machen. Ein Pufferspeicher, der von unten mit z.B. Wärme aus einer Solarthermieanlage beladen wird, erhitzt sich gleichmäßig. Das warme Wasser steigt im Speicher nach oben. Der SpeedPower Schichtspeicher hingegen wird von oben über das Schichtladerohr nach unten durchgeladen. Dadurch steht oben immer das heißeste Wasser zur Verfügung. Zwar ist die Energiemenge, die in die jeweiligen Speicher geladen wird, die Gleiche, allerdings hat man im Schichtspeicher deutlich schneller nutzbare Temperaturen, die für Warmwasser oder Flächenheizung und Heizkörper zur Verfügung stehen.
Wie lange die Energie im Speicher dann ausreicht, um die Heizkörper oder Flächenheizung zu bedienen, würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, da dies von vielen Faktoren abhängt. Die beheizte Fläche bzw. das Raumvolumen, die Vor- und Rücklauftemperatur und die damit verbundene Wärmeabgabe über die jeweiligen Heizflächen und natürlich das Nutzerverhalten spielen dabei eine Rolle.
Fazit: Niedrige VorlauFtemperaturen wichtig
Grundlegend lässt sich sagen, je niedriger die Vorlauftemperatur des Heizkreises ist, desto besser können die Temperaturspreizungen und damit die Wärmekapazität eines Speichers ausgenutzt werden. Darüber hinaus bestimmt die Art und Weise, wie ein Speicher beladen wird, ob die eingespeicherte Wärme tatsächlich verwendet werden kann. Es kann sich also durchaus lohnen, etwas mehr Geld in die Hand zu nehmen und sich einen Schichtspeicher zu leisten, der die nutzbare Energiemenge erhöht. Besonders bei schwankenden regenerativen Quellen, wie der Solarthermie, erreicht man schneller hohe Temperaturen, die für Brauchwasser und Heizungsunterstützung verwendet werden können.
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[1] https://www.energie-experten.org/bauen-und-sanieren/daemmung/waermedaemmung/spezifische-waermekapazitaet
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