Zentraler Baustein für nachhaltige Energiesysteme
Thermische Energiespeicher sind ein zentraler Baustein für nachhaltige Energiesysteme. Sie bietet die Möglichkeit, erneuerbare Energie in Form von Wärme effizient zu speichern und bei Bedarf wieder abzurufen.
Bedeutung von thermischen Energiespeichern in erneuerbaren Energiesystemen
Flexibilität und Energieautonomie
Thermische Energiespeicher erhöhen die Flexibilität von Energiesystemen, indem sie das Angebot von erneuerbaren Energien mit der Nachfrage synchronisieren. Sie ermöglichen es, überschüssige Energie aus Wärmequellen wie Geothermie, industriellen Abwärmen oder Solarthermie zwischenzuspeichern und bei Zeiten mit höheren Bedarfen zu nutzen. Dadurch können ganzjährige oder nur im Sommer verfügbare Quellen für den Winter nutzbar gemacht werden. Außerdem ermöglichen sie den zeitlich versetzten Einsatz von überschüssigem, erneuerbarem Strom zum Beispiel aus Windkraft oder Photovoltaik in Form von kostengünstiger und klimafreundlicher Wärme, und tragen somit zur erfolgreichen Sektorkopplung bei.
Minderung von Emissionen
Durch die Speicherung von Wärme können erneuerbare Quellen besser genutzt und damit fossile Energieträger reduziert oder ersetzt werden. In Kombination mit thermischen Netzen wie beispielsweise Fernwärmesystemen tragen thermische Speicher zur Dekarbonisierung bei.
Kostenersparnis
Die Nutzung von günstig erzeugter Energie, wie beispielsweise kontinuierlich anfallender Abwärme aber auch Nachtstrom, in Verbindung mit thermischer Speicherung führt zu wirtschaftlichen Vorteilen. Durch diese Entkopplung von Energieproduktion und Verbrauch können Systemkosten gesenkt werden.
Innovative Lösungen für Thermische Energiespeicher
Unsere Forschung im Bereich thermischer Energiespeicher zeichnet sich durch eine ganzheitliche Betrachtungsweise aus, die technische, wirtschaftliche und materialtechnische Aspekte umfassend integriert. Von der Material- und Komponentenentwicklung bis hin zur Optimierung ganzer Systeme berücksichtigen wir alle relevanten Disziplinen wie Physik, Maschinenbau, Verfahrenstechnik, Energietechnik und Geologie.
Durch diese interdisziplinäre Herangehensweise verbinden wir innovative Materialtechnologien mit optimierten Konstruktions- und Betriebskonzepten. Dies ermöglicht es uns, die Effizienz thermischer Speicherlösungen auf allen Ebenen zu maximieren – von einzelnen Komponenten bis zur Sektorkopplung.
Unseren Forschungsschwerpunkten:
- Material- und Komponentenentwicklung und -charakterisierung (à Link zu Thermophysik)
- Experimentelle und simulationsbasierte Untersuchung und Optimierung von Komponenten und Gesamtsystemen
- Anwendungsorientierte Konzeption, Design- und Betriebsoptimierung
- Systemintegration unter technischen und energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen
Unsere Stärke liegt dabei nicht nur in der technologischen Expertise, sondern auch in der engen Verknüpfung von Forschung und Praxis. Mithilfe unserer integrierten Forschungsinfrastruktur, die Thermophysik-Labore, Speicher- und Geothermielabore sowie modernste Simulationsumgebungen umfasst, entwickeln wir maßgeschneiderte Lösungen für die Herausforderungen der Energiezukunft.
Diese gesamtheitliche Perspektive, kombiniert mit der aktiven Zusammenarbeit in internationalen Expert:innennetzwerken wie dem IEA Technology Collaboration Programme, stellt sicher, dass unsere Forschung sowohl technisch fundiert als auch anwendungsorientiert ist. Sie bietet die Grundlage für nachhaltige und wirtschaftlich effiziente Energiespeichersysteme, die den Anforderungen der Energiewende gerecht werden.
Arten der thermischen Energiespeichern
Thermische Speicher lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen:
- Sensible Wärmespeicherung: Wärme wird durch Temperaturänderung eines Mediums wie Wasser oder Gestein gespeichert.
- Latentwärmespeicherung: Energie wird während eines Phasenwechsels gespeichert, beispielsweise beim Schmelzen von Materialien.
- Thermochemische Speicherung: Wärme wird in chemischen Reaktionen gespeichert und bei Bedarf durch Umkehr der Reaktion wieder freigesetzt.
Technologien für großtechnische thermische Energiespeicher
Behälterspeicher (Englisch: tank thermal energy storage TTES)
TTES-Systeme speichern sensible Wärme in gedämmten Tanks, die oberirdisch oder unterirdisch positioniert sind, meist mit Wasser als Speichermedium. Sie zeichnen sich durch hohe Energieeffizienz und einfache Wartung aus.
- Anwendungen: Kurzfristige Wärmespeicherung in Fernwärmenetzen, Industrieanlagen, Solarthermieanlagen.
- Vorteile: Hohe Speicherkapazität und Lade- und Entladeraten, geringer Wärmeverlust durch Schichtung (Temperaturprofil des Speichermediums aufgrund von Dichteunterschieden im Tank).
- Herausforderungen: Begrenzte Größe und hohe Baukosten.
Erdbeckenspeicher (Englisch: pit thermal energy storage PTES)
PTES-Systeme speichern Wärme in (teil-)gedämmten und abgedichteten Erdbecken, die mit Wasser oder Wasser-Kies-Gemischen gefüllt sind. Diese Technologie ist besonders für saisonale Speicher geeignet.
- Anwendungen: Saisonale Verschiebung von Wärme vom Sommer in den Winter für große, thermische Systeme wie beispielsweise Fernwärmenetze (z.B. kontinuierlich anfallende Wärme aus Abwärmequellen oder Geothermie, sommerliche Überschüsse von Solarthermie).
- Vorteile: Mittlere bis hohe Speicherkapazität, kostengünstig bei großen Volumina, keine Größenbeschränkungen.
- Herausforderungen: Hoher Platzbedarf, komplexe Konstruktion sowie herausfordernde Wartung und Reparatur.
Aquiferspeicher (Englisch: aquifer thermal energy storage ATES)
ATES-Systeme speichern Wärme in abgeschlossenen, grundwasserführenden Gesteinsschichten (Aquiferen), die mittels Brunnen in Form von Wasser ein- und ausgespeichert wird.
- Anwendungen: Saisonale Verschiebung von Wärme vom Sommer in den Winter (z.B. kontinuierlich anfallende Wärme aus Abwärmequellen oder Geothermie, sommerliche Überschüsse von Solarthermie).
- Vorteile: Niedrige, spezifische Errichtungskosten, große Speicherkapazitäten möglich, Landoberfläche bleibt nutzbar.
- Herausforderungen: Standortabhängigkeit durch notwendige, geologische Bedingungen, hohe Wärmeverluste.
Erdsondenspeicher (Englisch: borehole thermal energy storage BTES)
BTES-Systeme speichern Wärme im Gestein des Untergrunds. Für die Be- und Entladung werden wasserdurchflossene Erdsonden genutzt, um das umgebende Erdreich zu erwärmen.
- Anwendungen: Saisonale Wärmespeicherung für Gebäude(-komplexe) und größere Systeme.
- Vorteile: Erweiterbar, geringe Baukosten.
- Herausforderungen: Hohe Anfangsverluste, geologische Anforderungen, niedrige Speichertemperaturen.
Kavernenspeicher (Englisch: cavern thermal energy storgae CTES)
CTES-Systeme speichern thermische Energie in natürliche oder künstliche Kavernen, unterirdische Hohlräume im Gestein. Als Speichermedium dient Wasser, das umliegende Gestein trägt zur Wärmedämmung bei.
- Anwendung: Saisonale Speicherung von großen Wärmemengen für thermische Netze.
- Vorteile: Hohe Speicherdichten und große Speicherkapazitäten möglich, Landoberfläche bleibt nutzbar, lange Lebensdauern.
- Herausforderungen: Geologische Bedingungen, limitierte Potenziale an bereits bestehenden Kavernen, hohe Errichtungskosten bei Neuerrichtung.
Anwendungen von thermischen Energiespeichern
Integration in Fernwärmesysteme
Großtechnische thermische Speicher sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Fernwärmesysteme. Sie ermöglichen die Speicherung von Abwärme aus Industrieprozessen oder die bedarfsangepasste Nutzung von ganzjährig verfügbarer, thermischer Energie wie Geothermie sowie die Verschiebung von Solarenergie für die Wintermonate.
Reale Beispiele
- Dronninglund, Dänemark (PTES): Nutzung von Solarenergie zur saisonalen Wärmespeicherung.
- Wien, Österreich (ATES): Speicherung von Abwärme und Geothermie zur Deckung des Wärmebedarfs. ATES Vienna - Green Energy Lab
- Emmaboda, Schweden (BTES): Industrielle Abwärme wird in einem BTES-System gespeichert.
- VECTES, Finnland (CTES): Saisonale Speicherung im weltweit größten Kavernenspeicher für das Fernwärmesystem der Stadt Vantaa. https://interstores.eu/vectes/
Referenzprojekte Thermische Energiespeicher
Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen
Technische und wirtschaftliche Herausforderungen
Zu den größten Herausforderungen zählen die hohen Investitionskosten und Lebensdauern der Komponenten, der Platzbedarf und die Standortabhängigkeit. Dennoch bieten technologische Fortschritte in Materialwissenschaften und Konstruktion sowie die intelligente Einbindung in gesamtheitliche Energiesysteme große Potenziale.
Zukunftstrends
- Intelligente Design- und Steuerungssysteme: Simulationsbasierte Optimierung der Designs zur systemdienlichen Auslegung, Integration von Smart Grids und Smart Operations für eine effizientere Nutzung.
- Neue Materialien: Fortschritte in der Entwicklung von Materialien und Komponenten führen zu höheren Speicherdichten, längeren Lebensdauern und besseren Dämmeigenschaften.
- Neue Speicherkonzepte und Kombinationen von Speichertechnologien: Synergien aus Wärme- und Kältespeicher, sensiblem und latentem Speicher sowie Nutzung von bestehenden Infrastrukturen als thermische Speicher eröffnen neue Möglichkeiten der Speicherung für optimierte Systeme.
Großtechnische thermische Energiespeicher sind unverzichtbar für die Umsetzung der Energiewende. Sie ermöglichen eine versorgungssichere, kostengünstige, nachhaltige und flexible Nutzung erneuerbarer Energien. Durch die Weiterentwicklung dieser Technologien wird die Umsetzung von notwendigen Großprojekten in den kommenden Jahren weiter zunehmen.