Hochtemperatur Energiespeicher

Hochtemperaturenergiespeicher, genauer Hochtemperaturwärmespeicher bezeichnen eine Untergruppe der Wärmespeicher. In der Literatur werden Sie i.d.R. als HTS (High Temperature Storage / Hoch-Temperatur-Speicher) oder HTES ( High Temperature Energy Storage / Hochtemperaturenergiespeicher) bezeichnet. Ab einer Temperatur von 400°C spricht man von Hochtemperaturspeicher. Der Arbeitsbereich von Wärmespeichern erstreckt sich von Raumtemperatur bis 1300°C und wird grundsätzlich in zwei Arten unterteilt. Zum einen handelt es sich um die Klasse der latenten Wärmespeicher, zu welcher Salzspeicher bzw. PCM-Speicher (Phase Changing Materials) zählen und um die Klasse der sensiblen Wärmespeicher, welche ausschließlich nach dem Prinzip der Temperaturveränderung eines Speichermediums arbeiten.

Latente Wärmespeicher werden klassischerweise als Salzspeicher aufgebaut. Hier bestimmt die Wahl des Speichersalzes (z.B. Mischungen aus Kalium- und Natriumnitrat / Carbonatsalze) die minimale sowie maximale Arbeitstemperatur des Speichers. Am häufigsten zum Einsatz kommt eine Mischung aus Kalium- und Natriumsalz. Die minimale Temperatur liegt bei rund 290°C (Schmelzpunkt des Salzes), die maximal Temperatur des Salzes liegt bei 590 - 600°C. Oberhalb dieser Temperatur beginnt die Salzschmelze chemisch instabil zu werden. Diese Salzmischung wird beispielsweise als Wärmeträgermedium in solarthermischen Kraftwerken genutzt. Speichersalzgemische besitzen eine hohe spezifische Wärmekapazität was sie für den Einsatz als Speichermedium so interessant macht. Von Vorteil ist auch, dass das Speichersalz als Speichermedium und als Wärmeträgermedium fungieren kann. Durch den Zusatz weiterer Salze kann der Schmelzpunkt deutlich nach unten gesenkt werden. Die Zugabe von Natriumnitrit in das Gemisch aus Kalium- und Natriumnitrat führt beispielsweise zu einer Herabsetzung des Schmelzpunktes auf 140°C.

Grundsätzlich lasten Salzspeichern einige Problem an: Zuvorderst müssen die korrosiven Eigenschaften der Salzschmelze und die daraus resultierende Notwendigkeit hochwertiger und somit teurer Anlagenbauteile genannt werden. Eine erhöhte Gefahr für Mensch und Umwelt durch havarierte Speicher ist ebenfalls nicht von der Hand zu weisen. Des Weiteren muss der Speicher deutlich über den Erstarrungspunkt des Salzgemisches gehalten werden, da der Speicher sowie die Pumpen und Leitungen sonst „einfrieren“. Steht aus der Wärmequelle also keine thermische Energie zur Verfügung muss mit Primärenergieträgern die Temperatur im Speicher auf dem Minimalniveau gehalten werden.

Speichersysteme, die mit sensiblen Speichermaterialien arbeiten haben zwar eine etwas niedrigere Wärmekapazität als die latenten Systeme, unterliegen aber auch nicht deren Beschränkungen. Der theoretische Arbeitsbereich erstreckt sich hier von Raumtemperatur bis 1200°C (bei Mineralien z.B. Magnesiumgesteinen) oder bei synthetisch hergestellten Gesteinen bis zu 1300°C. Der Wärmeträger kann, im Gegensatz zu latenten Systemen, deutlich einfacher geändert werden. Hier können Luft bzw. Gase direkt genutzt werden oder, mittels eines zwischengeschalteten Wärmetauschers, auch Salzschmelzen oder Thermalöle. Durch die Möglichkeit hohe Temperaturen speichern und wieder abgeben zu können ermöglichen sensible Speichersysteme den Einsatz effizienterer Technologien, wenn es um die Nutzung der gespeicherten Wärme geht. So ist ab einer Temperatur von rund 500°C die Nutzung moderner Dampfturbinen mit einem Wirkungsgrad von theoretisch 53% (tatsächlich im Bereich 37-40%) möglich.

Grundsätzlich sind Hochtemperaturspeichersysteme ein zukunftsfähiger Baustein, um die Umstellung der Energieerzeugung im Hinblick auf Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit deutlich zu verbessern. Die Speicherung überschüssiger Energie (bei den erneuerbaren Energien) und die (effizientere) Nutzung von Prozesswärme ermöglichen hier gleich an zwei Fronten die Energiewende signifikant zu beschleunigen. Auch die Möglichkeit aus diskontinuierlichen Prozessen Energie aufzunehmen und diese sinnvoll nutzbar zu machen oder die räumliche Trennung von Wärmequelle und Wärmesenke sind Aspekte, die diesen Bereich so interessant und anpassungsfähig machen. Durch die Forschung an innovativen Materialmischungen wird sich in Zukunft die Wärmekapazität und damit die Systemleitung der sensiblen Speicher deutlich verbessert lassen.