Eine der innovativsten Ideen Europas: Speicherkapseln heatSel® & heatStixx® steigern die Kapazität von Wärme- und Kältespeichern

Die Axiotherm GmbH stellt mit ihren heatSel®, heatStixx® & heatStaxx® eine einzigartige Lösung für die thermische Energiespeicherung in Heiz- und Kühlsystemen auf der diesjährigen EM-Power (20.-22. Juni 2018 in München) vor. Die heatSel® ist linsenförmig, tellergroß und ein echter Durchbruch im Bereich der Wärme- und Kältespeicherung, denn sie steigert die Speicherkapazität von Wärme- und Kältespeichern um das Drei- bis Vierfache. Um zukünftig auch bereits bestehende Speichersysteme noch nachträglich aufrüsten zu können, wurden gemeinsam mit der klara energy systems GmbH die neuen heatStixx® entwickelt. Diese Ellipsoiden sind nun zigarrenförmig und können dadurch ganz einfach über die 1 ½ ´´ Standardmuffe in sämtliche Wärme- und Kältespeicher eingebracht werden, um so z.B. SmartGrid-Tarife zu nutzen oder auch den Eigenstromverbrauch einer PV-Anlage durch Power-to-Heat zu optimieren. Mit den flachen heatStaxx® wird auf der EM-Power erstmals eine Lösung vorgestellt, mit der sich dank der hohen Be- und Entladeleistungen nun auch erstmals mobile Wärmespeicher wirtschaftlich betreiben lassen, und so Erzeuger und Verbraucher bis zu einer Entfernung von 20 km flexibel verknüpft werden können.

Die Technologie

Seit Jahrzehnten wurde versucht, Phase Change Material (PCM) wie etwa Paraffine oder Salzhydrate in eine anwendungsfreundliche Form zu überführen. Bislang wurde angenommen, dass die Mikro- und Makro-Verkapselung von PCM für eine breite Anwendung sowohl technisch als auch wirtschaftlich ungeeignet sei. Die heatSel® und heatStixx beweisen jedoch das Gegenteil. Latentspeichersysteme erreichen nur dann eine sinnvolle Integration in komplexe Systeme, wie eine technische Gebäudeausrüstung, wenn neben ihrer Kapazität die Entnahme- und Beladeleistung in einem weiten Bereich regelbar ist und in einem möglichst definierten Temperaturbereich erfolgen kann. Daher werden die heatSel® vom Wärmeträgermedium (z.B. Wasser) umströmt, damit ein optimaler Wärmeübergang vom Wärmeträger zum PCM ermöglicht wird. Im Futurium – dem „Haus der Zukunft“ in der Nachbarschaft des Bundesforschungsministeriums sowie führender deutscher Wissenschaftsorganisationen in Berlin – bildet ein solcher Latentspeicher einen zentralen Bestandteil des innovativen Kühlkonzepts. Die zeitlich versetzte Erzeugung von Kälte und deren Bedarf wird dabei durch fünf Speicher, die jeweils 9.000 Liter umfassen und mit 9.500 heatSel® bestückt sind, überbrückt. Gleichzeitig kann auch die momentane Leistung durch den variablen Massenstrom primär- und sekundärseitig geregelt werden: So ist es möglich, dem Speicher temporär eine größere Leistung zu entnehmen, als ihm primärseitig eingespeist wurde. Dazu sind die inneren Wärmeübertragungsvorgänge von großer Bedeutung. Das Projekt wird deshalb von Beginn an vom Fachbereich Energie-Gebäude-Umwelt der Fachhochschule Münster unter Leitung von Professor Bernd Boiting begleitet, welcher entsprechende Versuchsstände und empirische Ansätze entwickelt hat, um so letztlich ein einfaches Planungstool für Anlagenplaner und -bauer zu entwickeln.

Systemlösungen auf der EM-Power

Thermische Speicher auf Basis von PCM sind vergleichsweise platzsparend und erlauben eine effiziente Be- und Entladung: Thermische Energien können auf dem Temperaturniveau gespeichert und abgegeben werden, bei denen die vorgeschalteten Energiewandler effizient arbeiten und angeschlossene Systeme optimal funktionieren. Gleichzeitig können sie das Stromnetz entlasten, wenn mit ihrer Hilfe der Energieverbrauch im Gebäude gesenkt und zeitlich verstetigt wird. So können Laufzeiten der Energiewandler verschoben oder verlängert werden, wodurch die Effizienz der Systeme steigt und die Größe der Energiewandler sinkt. Thermische Speicher sind deshalb auch im Zusammenhang mit dem „Smart Grid“ interessant, um die Möglichkeit größerer „virtueller“ Speichereinheiten nutzen zu können. Regenerativ erzeugter Strom kann einfach über Widerstandsheizungen in Wärme gewandelt werden – oder effizienter über Kompressionskältemaschinen wahlweise in Wärme oder Kälte. Blockheizkraftwerke können dank der großen Speicherkapazität von Latentspeichern netzdienlich stromgeführt betrieben werden. 

Auf der diesjährigen EM-Power werden gemeinsam mit den Partnern erstmals anschlussfertige Gesamtsysteme vorgestellt. So ist beispielsweise das PV-Heat-System der Partner klara energy systems GmbH, Varista GmbH und der Gebrüder Tuxhorn GmbH und Co. KG eine echte Alternative zu teuren Batteriespeichern: Das Komplettsystem, bestehend aus Latentspeicher, elektrothermischer Station, Frischwasserstation und intelligenter Steuerung, ermöglicht die thermische Speicherung von Photovoltaikstrom zur Eigenverbrauchsoptimierung. Die Regelung steuert die Leistung der elektrischen Heizung in Abhängigkeit vom Überschuss aus der Photovoltaikanlage, um eine Einspeisung zu vermeiden. Durch die Leistungsmodulation ist es möglich, trotz schwankender PV-Stromproduktion und variierendem Haushaltstrombedarf den gesamten PV-Überschuss thermisch zu nutzen. Selbst geringe Überschussleistungen können in nutzbare Wärme mit konstanter Temperatur umgewandelt und so die konventionelle fossile Nachtheizung unterdrücken. Durch die Modularität und Skalierbarkeit des Systems können auch andere Erzeuger wie Wärmepumpen einfach integriert werden, wodurch beispielsweise auch öffentliche und gewerbliche Gebäude sowie Quartiere effizient betrieben werden können.