Thermischer Speicher

Ein thermischer Speicher ist eine Anlage oder ein Bauteil, das Wärme oder Kälte zeitlich verschiebt. Er nimmt thermische Energie auf, hält sie für eine bestimmte Dauer vor und gibt sie später wieder ab. Im Stromsystem ist er relevant, weil viele Stromanwendungen nicht unmittelbar elektrische Arbeit benötigen, sondern Wärme bereitstellen: Raumwärme, Warmwasser, Prozesswärme, Fernwärme oder Kälte. Wird diese Wärme zwischengespeichert, muss der dafür eingesetzte Strom nicht zwingend im selben Moment verbraucht werden, in dem die Wärme genutzt wird.

Die gespeicherte Energiemenge wird meist in Kilowattstunden thermisch angegeben, oft als kWh_th. Das unterscheidet sie von elektrischer Energie in kWh_el. Ein Warmwasserspeicher, der 100 Kilowattstunden Wärme enthält, kann daraus nicht verlustfrei 100 Kilowattstunden Strom machen. Er speichert Wärme, keinen Strom. Seine technische Bedeutung liegt gerade darin, dass er elektrische Nachfrage verschieben kann, wenn Strom zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird, etwa über eine Wärmepumpe, einen Elektrodenkessel oder einen Heizstab.

Neben der Energiemenge zählen die Lade- und Entladeleistung, das Temperaturniveau, die Speicherdauer und die Wärmeverluste. Die Leistung wird in Kilowatt oder Megawatt angegeben und beschreibt, wie schnell Wärme eingespeichert oder entnommen werden kann. Die Temperatur entscheidet darüber, wofür die gespeicherte Wärme nutzbar ist. Warmwasser für ein Gebäude, Niedertemperaturwärme für ein Wärmenetz und Hochtemperaturwärme für industrielle Prozesse stellen unterschiedliche Anforderungen. Eine Kilowattstunde Wärme bei 40 Grad Celsius ist technisch nicht dasselbe wie eine Kilowattstunde Wärme bei 180 Grad Celsius.

Speicher für Wärme, nicht für Strom

Thermische Speicher werden häufig mit Stromspeichern gleichgesetzt, weil sie im Zusammenhang mit erneuerbarem Strom, Flexibilität und Lastverschiebung diskutiert werden. Diese Gleichsetzung führt zu falschen Erwartungen. Eine Batterie speichert elektrische Energie und kann sie wieder als Strom abgeben. Ein thermischer Speicher speichert einen Endnutzen, nämlich Wärme oder Kälte. Er kann Stromverbrauch zeitlich verschieben, ersetzt aber keinen Stromspeicher für Anwendungen, die elektrische Energie benötigen.

Diese Abgrenzung ist für die Bewertung von Flexibilität wichtig. Wenn eine Wärmepumpe mittags bei hoher Solarstromerzeugung einen Pufferspeicher lädt und am Abend nicht laufen muss, sinkt die elektrische Last am Abend. Der Speicher liefert dann keine elektrische Leistung ins Netz zurück, sondern vermeidet elektrischen Bezug. Für das Stromsystem kann das sehr wertvoll sein, weil vermiedene Last in einer knappen Stunde ähnlich wirkt wie zusätzliche Erzeugung. Technisch und bilanziell bleibt es aber eine Verbrauchsverschiebung, keine Rückspeisung.

Auch Power-to-Heat ist nicht identisch mit thermischem Speicher. Power-to-Heat bezeichnet die Umwandlung von Strom in Wärme, etwa durch einen Elektrodenkessel oder Heizstab. Der Speicher ist die Komponente, die diese Wärme zeitlich verfügbar hält. Beide Funktionen können in einer Anlage zusammen auftreten, müssen aber getrennt betrachtet werden. Ohne Speicher erzeugt Power-to-Heat Wärme im Moment des Strombezugs. Mit Speicher kann der Strombezug an Preise, Netzsituation oder Erzeugungsangebot angepasst werden.

Bauformen und technische Grenzen

Die verbreitetste Form ist der sensible Wärmespeicher. Er nutzt die Temperaturänderung eines Materials, meist Wasser. Warmwasserspeicher in Gebäuden, Pufferspeicher für Wärmepumpen und große Heißwasserspeicher in der Fernwärme gehören dazu. Wasser ist günstig, gut verfügbar und hat eine hohe Wärmekapazität. Für viele Anwendungen ist es deshalb naheliegend, Wärme nicht in komplizierten Materialien, sondern in großen, gut gedämmten Wasservolumina zu speichern.

Daneben gibt es Erdbeckenspeicher, Aquiferspeicher, Erdsondenspeicher, Latentwärmespeicher und thermochemische Speicher. Erdbeckenspeicher können große Wärmemengen über Wochen oder Monate aufnehmen und werden vor allem im Zusammenhang mit Wärmenetzen und saisonaler Solarthermie diskutiert. Latentwärmespeicher nutzen Phasenwechsel, etwa das Schmelzen und Erstarren eines Materials, um bei relativ konstantem Temperaturniveau Wärme aufzunehmen und abzugeben. Thermochemische Speicher binden Wärme in reversiblen chemischen Prozessen und versprechen hohe Speicherdichten, sind aber je nach Anwendung technisch und wirtschaftlich anspruchsvoll.

Die technische Nutzbarkeit hängt nicht allein von der gespeicherten Energiemenge ab. Ein Speicher kann rechnerisch viel Wärme enthalten und trotzdem für einen konkreten Zweck kaum nutzbar sein, wenn das Temperaturniveau zu niedrig ist oder die Entladeleistung nicht reicht. Ein Gebäude braucht an kalten Tagen nicht nur eine bestimmte Tagesenergiemenge, sondern auch genügend Heizleistung in einzelnen Stunden. In Wärmenetzen kommen zusätzlich Vorlauf- und Rücklauftemperaturen, hydraulische Randbedingungen und die Einbindung verschiedener Erzeuger hinzu.

Verluste sind ebenfalls keine Nebensache. Kurzzeitspeicher für Warmwasser verlieren über Stunden oder Tage relativ wenig Wärme, saisonale Speicher über Monate deutlich mehr. Diese Verluste können akzeptabel sein, wenn die eingespeicherte Wärme sehr günstig, erneuerbar oder sonst ungenutzt wäre. Sie müssen aber in die Bewertung einfließen. Ein Speicher verbessert ein Energiesystem nicht automatisch. Er verschiebt Energie, verändert Lastprofile und verursacht Kosten, Flächenbedarf, Materialeinsatz und Betriebsverluste.

Bedeutung für Wärmepumpen und Fernwärme

Mit der Elektrifizierung von Wärme steigt die Bedeutung thermischer Speicher. Wärmepumpen machen aus Strom und Umweltwärme nutzbare Heizwärme. Ihr Strombedarf fällt jedoch nicht beliebig verteilt an. Besonders in kalten Perioden steigt der Wärmebedarf vieler Gebäude gleichzeitig. Wenn Wärmepumpen dann ohne Speicher und ohne Steuerung betrieben werden, kann die elektrische Last in Verteilnetzen deutlich zunehmen.

Ein thermischer Speicher ermöglicht, dass eine Wärmepumpe zeitweise früher oder später läuft als der unmittelbare Wärmebedarf es verlangen würde. Das Gebäude bleibt warm, während der Strombezug verschoben wird. Bei Warmwasser ist diese Verschiebung oft einfacher als bei Raumwärme, weil ein Trinkwarmwasserspeicher ohnehin vorhanden sein kann. Bei Raumwärme wirken neben Pufferspeichern auch die Gebäudemasse und die zulässige Bandbreite der Raumtemperatur als begrenzte thermische Speicher. Diese Flexibilität ist aber nicht beliebig. Komfort, Hygieneanforderungen, Gebäudestandard und Außentemperatur setzen Grenzen.

In der Fernwärme können große thermische Speicher mehrere Funktionen übernehmen. Sie entkoppeln Wärmeerzeugung und Wärmeabnahme, stabilisieren den Betrieb von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen, integrieren große Wärmepumpen, Solarthermie, Abwärme und Power-to-Heat-Anlagen. Ein Wärmenetz mit Speicher kann Strom dann aufnehmen, wenn er günstig oder reichlich vorhanden ist, und Wärme später liefern. Zugleich kann ein Speicher die Fahrweise von KWK-Anlagen verändern: Stromproduktion muss dann weniger strikt dem momentanen Wärmebedarf folgen.

Damit berührt der thermische Speicher auch institutionelle Fragen. Wer darf den Speicher betreiben, wie werden Netzentgelte und Abgaben auf den eingesetzten Strom erhoben, welche Preissignale kommen beim Betreiber an, und wer erhält den Nutzen aus vermiedenen Netzspitzen oder reduzierten Beschaffungskosten? Ein Speicher kann technisch sinnvoll sein und trotzdem wirtschaftlich unattraktiv bleiben, wenn Tarife, Abgaben oder Förderregeln den flexiblen Betrieb nicht abbilden. Umgekehrt kann eine Anlage wirtschaftlich erscheinen, obwohl sie für das Stromsystem wenig Entlastung bringt, wenn sie nur auf statische Preisvorteile reagiert.

Typische Missverständnisse

Ein verbreitetes Missverständnis besteht darin, thermische Speicher als einfache Lösung für Dunkelflauten zu behandeln. Kurzzeitspeicher in Gebäuden können Stunden oder einzelne Tage überbrücken, aber keine langen Perioden niedriger Wind- und Solarstromerzeugung für das gesamte Stromsystem absichern. Saisonale Wärmespeicher können Sommerwärme in den Winter verschieben, vor allem in Wärmenetzen. Sie lösen damit ein Wärmeproblem, nicht automatisch ein Stromversorgungsproblem.

Ebenso ungenau ist die Aussage, thermische Speicher seien immer billig. Bezogen auf gespeicherte Kilowattstunden kann ein Wasserspeicher deutlich günstiger sein als eine Batterie. Diese Kennzahl sagt aber wenig über Standort, Temperatur, Leistung, Dämmung, Integration, Regelung und Nutzungshäufigkeit. Ein großer Speicher, der selten sinnvoll geladen wird oder dessen Wärme auf dem falschen Temperaturniveau vorliegt, kann trotz niedriger spezifischer Speicherkosten unwirtschaftlich sein.

Auch die Effizienz wird oft verkürzt betrachtet. Wenn Strom direkt mit einem Heizstab in Wärme umgewandelt wird, entsteht nahezu eine Kilowattstunde Wärme aus einer Kilowattstunde Strom. Eine Wärmepumpe liefert dagegen je nach Betriebsbedingungen mehrere Kilowattstunden Wärme aus einer Kilowattstunde Strom. Ein Speicher ändert diese Umwandlungsverhältnisse nicht, aber er kann die Betriebsbedingungen verbessern oder verschlechtern. Wird eine Wärmepumpe zu Zeiten höherer Außentemperatur oder niedrigerer Vorlauftemperatur betrieben, kann ihre Arbeitszahl steigen. Wird ein Speicher auf unnötig hohem Temperaturniveau geladen, sinkt sie.

Für das Stromsystem zählt außerdem der Zeitpunkt. Ein thermischer Speicher, der stets nachts geladen wird, folgt möglicherweise alten Tarifmustern, aber nicht unbedingt der tatsächlichen erneuerbaren Erzeugung oder der Netzbelastung. Flexibler Betrieb braucht Messung, Steuerbarkeit, geeignete Preis- oder Netzsignale und klare Regeln für Eingriffe. Sonst bleibt der Speicher eine isolierte Haustechnikkomponente, obwohl er technisch zur Flexibilität beitragen könnte.

Der Begriff thermischer Speicher bezeichnet daher keine einzelne Lösung, sondern eine Funktion im gekoppelten Strom- und Wärmesystem. Er macht sichtbar, dass Versorgung nicht nur durch mehr Erzeugung oder mehr elektrische Speicher stabilisiert wird, sondern auch durch zeitlich verschiebbare Nutzenergie. Seine Wirkung hängt an Temperatur, Leistung, Dauer, Verlusten, Einbindung und Betriebsregeln. Wer thermische Speicher präzise bewertet, fragt nicht nur nach der gespeicherten Wärmemenge, sondern danach, welche elektrische Last zu welchem Zeitpunkt vermieden, verschoben oder neu erzeugt wird.