Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Über 40 Prozent des Endenergiebedarfs in Deutschland wird für die Bereitstellung von Wärme und Kälte in Gebäuden aufgewendet. Der Verbrauch unterliegt dabei starken saisonalen, tageszeitlichen und wöchentlichen Schwankungen. Daher sind Thermische Speicher eine Schlüsseltechnologie, um eine flexible Bereitstellung von Wärme und Kälte in Gebäuden zu gewährleisten. Durch den Einsatz thermischer und auch elektrischer Speicherlösungen kann die Gewinnung und Nutzung erneuerbarer Energien voneinander entkoppelt werden.
Mit der Energiewende und der größeren Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien steigen die Anforderungen an die Dimensionierung und Steuerung von Versorgungsanlagen in Gebäuden. Zudem wächst durch die Klimaerwärmung der Bedarf an Gebäudekühlung. Gebäudeentwickler, Bauträger größerer Liegenschaften, technische Gebäudeausrüster sowie Komponenten- und Materialhersteller stehen vermehrt vor der Herausforderung, in ihren Gebäuden und Anlagen Wärme und Kälte bedarfsgerecht, kostengünstig und effizient bereit zu stellen.
Das Fraunhofer ISE entwickelt und optimiert Wärme- und Kältespeicher für Wohn- und Bürogebäude sowie für Kraftwerke und industrielle Anwendungen. Im Gebäudesegment beschäftigen wir uns mit Speicherlösungen von 0 bis ca. 100 Grad Celsius, einer Speicherkapazität bis 500 kWh sowie einer Speicherdauer von wenigen Stunden bis mehreren Tagen. Dabei decken wir die gesamte Wertschöpfungskette ab und unterstützen unsere Kunden bei der Auswahl der geeigneten Technologie, der Entwicklung von neuen Materialien und Komponenten, der Optimierung von Speichersystemen sowie bei Analyse, Monitoring und Betriebsoptimierung.
Das Fraunhofer ISE erforscht und entwickelt Lösungen für verschiedene Speichertechnologien:
Latentwärmespeicher
Latentwärmespeicher verändern beim Lade- und Endladevorgang ihre Temperatur nicht. Zur Speicherung wird die Änderung des Aggregatzustands genutzt (Phasenwechselmaterial, PCM). Im Falle eines Phasenübergangs fest-flüssig entspricht die latente Wärme der Schmelz- oder Kristallisationswärme des Speichermaterials. In einem definierten, engen Temperaturbereich bieten Phasenwechselmaterialien deutlich höhere Speicherdichten als herkömmliche sensible Speichermaterialien. Latentwärmespeicher können in vielen Anwendungen in Gebäuden und in der Industrie zum Einsatz kommen. Sie sind auch sehr gut für die Temperaturpufferung von Batterien, elektronischen Bauteilen oder Haushaltsgeräten geeignet. Die Entwicklung, Charakterisierung und Auswahl geeigneter Phasenwechselmaterialien sowie die Erforschung effizienter Methoden zur Wärmeübertragung stehen im Mittelpunkt der Aktivitäten des Fraunhofer ISE.
Sensible Speicher/Wasserspeicher
Sensible Wärmespeicherung mit Wasser als Wärmeträgermedium wird in Gebäuden für die Trinkwassererwärmung und Raumheizung bereits in großem Stil eingesetzt, z. B. als dezentrale Speicher in der Wohnung oder als zentrale Speichersysteme für Gebäuden und Liegenschaften, bis hin zu Wohngebieten. Die Zufuhr und Entnahme thermischer Energie äußert sich bei diesen Speichersystemen fühlbar (sensibel) durch eine Änderung der Temperatur. Wasser ist dabei als Wärmeträgermedium sehr gut geeignet, weil es eine vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität aufweist, breit verfügbar und unproblematisch für die Umwelt ist. Dennoch bestehen FuE-Fragestellungen, z.B. in Bezug auf die Verringerung von Wärmeverlusten durch bessere Dämmung oder die Entwicklung optimierter Belade- und Entladevorrichtungen.
Sorptionsspeicher
Sorptionsspeicher sind Wärmespeicher, die auf der physikalischen Wechselwirkung zwischen zwei Stoffen, dem Sorbent und dem Sorbat, beruhen. Häufig wird die Anlagerung von Gasen an porösen Materialien (Adsorption) wie Silikagele, Zeolithe oder Metallorganischen Gerüstmaterialien (engl. Metal Organic Framework, MOF) genutzt, aber auch die Absorption eines Gases in einer Flüssigkeit findet Anwendung. Bei thermochemischen Speichern wird die chemische Bindung zwischen zwei Stoffen zur Wärmespeicherung genutzt. Beispiel hierfür ist die Hydratation (Wasseranbindung) von Salzen wie CaCl2, MgCl2 oder MgSO4. Beide Konzepte bieten eine quasi verlustfreie Möglichkeit Wärme zu speichern. Im Vergleich zu sensiblen Speichern bieten Sorptions- und thermochemische Speicher höhere Speicherdichten. Im Gebäudebereich kommen sie z. B. in Klima- und Lüftungsanlagen zum Einsatz. Allerdings sind bei ihrem Einsatz komplexere Systeme und tendenziell höhere Investitionskosten im Vergleich zu rein sensiblen Speichern notwendig. Daher ist eine umfassende Analyse des Systems, der Randbedingungen, des Materials, des Reaktordesigns und damit der Wärmegestehungskosten unabdingbar, um die Vor- und Nachteile verschiedener Speicherlösungen zu ermitteln.
