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Ist es notwendig Kälte und Wärme zu speichern?
Die Wärme für den täglichen Gebrauch wird häufig in „Boilern“ gespeichert. Die langfristige Speicherung von Wärme hingegen während einer Saison (Nutzung der im Sommer produzierten Wärme im Winter) ist in der Schweiz noch zu teuer. Es ist auch möglich, Kälte für eine spätere Nutzung zu speichern. Das ist aus wirtschaftlichen Gründen in der Industrie eine verbreitete Praxis für die Speicherung auf Tagesbasis, ist aber aus energiewirtschaftlicher Sicht oft nicht sinnvoll. Die saisonale Speicherung von Kälte kann aus technischer Sicht nur für Gebäude (oder Fernwärmenetze) ins Auge gefasst werden, die über eine Wärmepumpe mit Erdwärmesonde verfügen.
Unser Heizbedarf für Wohngebäude ist im Tagesverlauf relativ konstant. Im Jahresverlauf hingegen ist er je nach Jahreszeit grossen Schwankungen unterworfen, wobei der Bedarf im Winter deutlich höher ist als im Sommer. Beim Warmwasser ist die Situation umgekehrt: Unser Warmwasserbedarf ist im Jahresverlauf relativ konstant (wir duschen uns im Winter praktisch genauso oft wie im Sommer), variiert aber im Tagesverlauf sehr stark. Wir verbrauchen – wenn wir uns duschen oder ein Bad nehmen – eine grosse Warmwassermenge innert weniger Minuten. Wenn man all dieses Warmwasser zum Verbrauchszeitpunkt produzieren müsste, bräuchten wir sehr leistungsfähige Anlagen, die eine sehr rasche Aufheizung ermöglichen, was extrem teuer wäre. Es ist viel vorteilhafter, Warmwasser im Vorfeld mit Anlagen geringer Leistung zu produzieren und es in gut isolierten Boilern zu speichern, damit möglichst wenig gespeicherte Wärme verloren geht. Das bedingt die Tagesspeicherung des Warmwassers.
Bei der Speicherung des täglichen Kältebedarfs sieht die Situation anders aus. Es ist möglich, in der Nacht Eis zu produzieren, um dieses bis zum nächsten Mittag zur Kühlung der Räumlichkeiten zu speichern, als Ersatz eines klassischen Klimatisierungssystems. Genauso versuchen die Tiefkühlzentren, in der Nacht unter die erforderliche Temperatur abzukühlen, und stellen ihre Kühlschränke und Gefriertruhen während gewisser Tageszeiten ab. Diese Praxis wird vor allem aus wirtschaftlichen Gründen angewendet, weil dadurch der günstige Nachtstrom – im Gegensatz zu den hohen Tarifen am Mittag –verwendet werden kann. Energiewirtschaftlich gesehen, machen sie aber selten Sinn, weil dadurch üblicherweise insgesamt mehr Energie verbraucht wird.
Wie sieht es mit der saisonalen Speicherung von Wärme und Kälte aus?
Mehrere industrielle Prozesse produzieren ganzjährig Wärme (Verbrennung von Kehricht oder Klärschlamm), wovon im Sommer ein bedeutender Teil ungenutzt bleibt, weil er über unserem geringen Bedarf in dieser Jahreszeit liegt. Diese überschüssige Wärme wird also einfach abgeführt und geht vollständig verloren. Ausserdem verfügen wir im Sommer über solare Wärme, die unseren Bedarf bei Weitem übersteigt und darum auch nicht genutzt wird. Aus energiewirtschaftlicher Sicht wäre es interessant, diese überschüssige sommerliche Wärme zu speichern, um unseren Heizbedarf im nächsten Winter teilweise (oder ganz) zu decken.
Die Technologien für die saisonale Speicherung zielen darauf ab, entweder den Untergrund mittels Erdwärmesonden oder Rohrschlangen zu erwärmen oder das Warmwasser in sehr gut isolierten grossen Tanks zu lagern. Diese Wärme wird im folgenden Winter entweder (im Fall der Tanks) direkt oder (im Fall der Erwärmung des Untergrunds) mittels Wärmepumpen genutzt [→ F59].
Saisonale Speicherung kann selten rentabel betrieben werden, weil bedeutende Investitionen dafür notwendig sind, und das für nur eine einzige „Füllung“ und „Leerung“ pro Jahr (warme Jahreszeit / kalte Jahreszeit). Die produzierte kWh-Wärme ist sehr teuer im Vergleich zur Tagesspeicherung, bei der mit einer deutlich niedrigeren Investition schon hunderte Kreisläufe pro Jahr durchlaufen werden. Aus diesem Grund ist die saisonale Speicherung von Wärme in der Schweiz in der Regel noch nicht rentabel, auch wenn immer mehr Projekte umgesetzt werden. In gewissen Ländern (Dänemark, Schweden, Deutschland), die einen grossen Wärmebedarf im Winter aufweisen und über Fernwärmenetze mit relativ niedrigen Temperaturen verfügen (was die Rentabilität der saisonalen Speicherung begünstigt), ist die saisonale Speicherung hingegen bereits rentabel. Die hohen Temperaturen der meisten Schweizer Fernwärmenetze, die oft aus reinem Konservatismus beibehalten werden, stellen ein bedeutendes Hindernis für die Wärmenutzung dar – nicht nur für die Speicherung von Wärme, sondern auch für die Nutzung der Geothermie, Umgebungswärme und verschiedenen Arten von Abwärme.
Auch Kälte kann saisonal gespeichert werden. Die Speicherung von Kälte im Winter für die Kühlung von Gebäude im Sommer ist eine einfach umzusetzende und rentable Lösung, wenn das Gebäude über eine Wärmepumpe mit einer Erdwärmesonde verfügt [→ F59]. Das Prinzip ist einfach: Im Winter entnimmt die Wärmepumpe dem Boden Wärme für die Heizung des Gebäudes, wodurch der Boden kälter wird. Es genügt, das Wasser der Sonden (zwischen 2 und 5°C) im Sommer in den Kreislauf einzuspeisen, um die während der Winterzeit produzierte Kälte zu nutzen und die Klimatisierung während des Sommers sicherzustellen und gleichzeitig die Bodenwärme teilweise wiederherzustellen.
Quellen
- Odru (2013)
- Odru, P. (2013). Le stockage de l’énergie-2e édition. Dunod.