Einführung
Wärmepumpen gewinnen als wirksames Mittel zur Bekämpfung der globalen Erwärmung und zur Förderung der Klimaneutralität rasant an Bedeutung, da sie Heizgeräte mit Verbrennungsmotor ersetzen können. Die Effizienz von Wärmepumpen wurde zwar verbessert, das Effizienzwachstum hat sich jedoch verlangsamt. Um die Effizienz von Wärmepumpen weiter zu steigern, können neben der Verbesserung der Geräteeffizienz auch effiziente Wärmeübertragung und Wärmespeicherung eingesetzt werden. Dies ermöglicht eine effiziente Kühlung, Heizung und Warmwasserbereitung nach Bedarf in der gewünschten Menge.
Vorteile der Wärmespeicherung
Wärmespeicherung bezeichnet die Speicherung thermischer Energie. Erd- und Wasseroberflächen können als Wärmespeichermaterialien mit hoher Kapazität gelten, da sie Sonnen- und atmosphärische Energie speichern. Die Wärmespeicherung bietet zahlreiche Vorteile.
Die Kapazität der Wärmequellenanlage kann reduziert werden, und es ist möglich, das zeitliche Ungleichgewicht im Wärmeverbrauch auszugleichen, indem zum Zeitpunkt des maximalen Bedarfs eine große Wärmemenge mit geringer Kapazität gespeichert wird.
Durch die Speicherung von Wärme mittels Stromnutzung in der Nacht, wenn der Stromverbrauch gering ist, und die Nutzung der Wärme während des Betriebs am Tag zur Reduzierung des Stromverbrauchs kann der Stromverbrauch zwischen Nacht und Tag ausgeglichen werden.
Ein effizienter Betrieb wird durch die Nutzung des Temperaturunterschieds zwischen Tag und Nacht sowie durch Wärmespeicherung ermöglicht. Beispielsweise wird im Sommer nachts, wenn die Temperatur niedriger ist als tagsüber, die Wärme des Eises effizient gespeichert und tagsüber zur Kühlung genutzt, um die Kondensationstemperatur zu senken und so einen effizienten Betrieb zu gewährleisten.
Der Komfort lässt sich durch den Einbau eines Wärmespeichers im Außengerät der Wärmepumpe verbessern. Die gespeicherte Wärme kann beispielsweise genutzt werden, um ein Absinken der Raumtemperatur während des Heizvorgangs durch Abtauvorgänge zu verhindern und um beim Heizbeginn schnell warme Luft auszublasen.
Die Nutzung erneuerbarer Energien wie Solarenergie, Geothermie und Abwärme aus Fabriken wird dank des Einsatzes von Wärmespeichern einfacher.
Wärmespeichertypen
Es gibt verschiedene Methoden der Wärmespeicherung.
Die Speicherung sensibler Wärme ist eine weit verbreitete Methode, die thermische Energie durch die Nutzung von Temperaturänderungen in Flüssigkeiten wie Wasser und Feststoffen wie Ziegeln und Beton speichert. Beispielsweise wird die Speicherung sensibler Wärme mit Wasser in Luft-Wasser-Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung und Raumheizung eingesetzt. Auch in Betongebäuden dient die Speicherung sensibler Wärme mit Beton als Wärmespeichermaterial; Decken, Böden, Wände usw. werden dabei genutzt. Da die Wärmespeicherdichte bei sensibler Wärme relativ gering ist, lässt sich die gespeicherte Wärmemenge durch Vergrößerung der Temperaturdifferenz im Speichermaterial erhöhen.
Phasenwechsel-Wärmespeicherung, auch Latentwärmespeicherung genannt, ist eine Methode zur Wärmespeicherung, bei der die Wärmeenergie beim Phasenübergang eines Stoffes vom festen in den flüssigen Zustand freigesetzt oder absorbiert wird. Sie weist eine höhere Wärmespeicherdichte als die Speicherung von fühlbarer Wärme auf. Ein Beispiel für die Anwendung von Phasenwechsel-Wärmespeicherung sind Wärmespeicher-Klimaanlagen, die die beim Phasenübergang von Wasser und Eis entstehende latente Wärme nutzen. Ein weiteres Beispiel sind Heizgeräte, die Paraffin mit seiner hohen latenten Wärmekapazität als Wärmespeichermaterial verwenden, um ihre Leistung zu verbessern. Darüber hinaus werden funktionelle Polymere mit Phasenwechsel-Wärmespeicherung, also Harze mit Wärmespeichereigenschaften, als Dämmstoffe für Fußbodenheizungen in Wohnhäusern eingesetzt.
Chemische Wärmespeicherung ist eine Methode zur Speicherung und Ableitung von Wärme, die durch eine chemische Reaktion entsteht. Diese Reaktion wird ausgelöst, sobald Reaktionsmedium und Wärmespeichermaterial in Kontakt kommen. Sind Reaktionsmedium und Wärmespeichermaterial getrennt, kann der Wärmespeicherzustand über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden. Da die Reaktionstemperatur zur Wärmeerzeugung jedoch über 200 °C liegt, wird derzeit an der Nutzung von Abwärme aus Fabriken mit hohen Temperaturen geforscht und entwickelt.
Systeme mit Wärmespeicherung
Systeme zur Wärmespeicherung existieren in verschiedenen Formen und mit unterschiedlichen Methoden, beispielsweise ATW-Wärmepumpen für die Warmwasser- und Raumheizung, Eisspeichersysteme und Gebäudestruktur-Wärmespeicher für die Klimatisierung. Auch die Entwicklung von Wärmespeichersystemen in Kombination mit Solarenergie, Geothermie, Abgasenergie aus Fabriken usw. wird aktiv vorangetrieben, und es wurden bereits zahlreiche neue Wärmespeichersysteme vorgestellt.
Probleme mit der Wärmespeicherung
Wärmespeicher bieten viele Vorteile, bringen aber auch Herausforderungen mit sich. Erstens Wärmeverluste. Zweitens die Differenz zwischen der Wärmeaustauschtemperatur während der Speicher- und der Abfuhrphasen, die zwar notwendig ist, aber die Effizienz mindert. Drittens der Bedarf an Ausrüstung, Räumlichkeiten usw. für die Wärmespeicherung, wie z. B. Speichertanks und -becken. Es ist wichtig, diese Herausforderungen anzugehen, um die Nutzung von Wärmespeichern zu vereinfachen und ihre Effektivität zu steigern.
Um beispielsweise den als erstes Problem erwähnten Wärmeverlust zu reduzieren, ist die Isolierung des Wärmespeichers unerlässlich. Daher wurden verschiedene Wärmedämmstoffe wie Steinwolle, Glaswolle, Polyethylenschaum, Polyurethanschaum und Vakuumisolierung entwickelt. Diese Dämmstoffe müssen neben ihrer Wärmedämmleistung auch hitzebeständig, feuchtigkeitsbeständig und langlebig sein. Vakuumisolierung gilt als idealer Dämmstoff und wird aufgrund ihrer geringeren Dicke und sinkenden Kosten für Warmwasserspeicher, Wärmespeicher und Wohnhäuser eingesetzt. Die Wärmedämmung von Häusern und Gebäuden ist auch im Hinblick auf die Wärmelast von Klimaanlagen ein wichtiger Aspekt.
Abschluss
Die moderne Gesellschaft verbraucht große Mengen an Energie, und die damit einhergehende große Menge an Abwärme trägt zur globalen Erwärmung bei. Um dem entgegenzuwirken, ist es unerlässlich, ein System zu entwickeln, das die entstehende Abwärme nutzt und gleichzeitig die Energieeffizienz verbessert und den Energieverbrauch senkt. Wärmepumpen und Wärmespeicher sind Technologien, die diese Ziele erreichen können, und weitere Forschung und Entwicklung sind zu erwarten.
Wichtige Entwicklungsthemen sind die schnelle Wärmeübertragung während der Wärmespeicherung in einem Behälter und die verlustarme Wärmeabfuhr aus dem Behälter sowie eine höhere Wärmespeicherdichte. Gelingt die Realisierung eines kompakten, leistungsstarken und kostengünstigen Wärmespeichersystems, werden sich dessen Anwendungsmöglichkeiten erheblich erweitern. Werden Wärmepumpen mit solchen verbesserten Wärmespeichersystemen realisiert, könnten neue Systeme entstehen, ähnlich wie Elektrofahrzeuge und Drohnen mithilfe von Hochleistungsbatterien entwickelt wurden.
Veröffentlichungsdatum: 28. Juni 2023
