Kies-Wasser-Speicher

1. Grundlagen / Aufbau

Eine kostengünstige Variante zur Langzeitwärmespeicherung ist die Verwendung von Kies- bzw. Erdreich-Wasser-Speichern. Dabei wird bei einem Kies-Anteil von ca. 60 - 70% thermische Energie mit einer Temperatur von bis zu 90 °C gespeichert. Besonders in Gebieten mit großen natürlichen Kiesvor-kommen ist dies die einfachste Variante. Für den Bau werden meist pyramidenförmige Gruben ausgehoben, welche mittels Kunststofffolie oder Beton (siehe Abb. 1) wasserdicht ausgekleidet werden. /AEE/, /Pfeil/, /Koch/

Abb. 1: Schema Kies-Wasser-Speicher

2. Speichermaterial

Neben der Verwendung eines Kies-Wasser-Gemisches kann auch ein Erdreich-Wasser-Gemisch eingesetzt werden. Da Kies bzw. die Erde eine niedrigere Wärmekapazität als Wasser besitzt, muss der Speicher ein höheres Volumen als ein Heißwasserspeicher aufweisen, um die gleiche Wärmemenge speichern zu können. /Fisch et al./

3. Be- und Entladung

Für die Be- und Entladung des Speichers unterscheidet man grundsätzlich zwei Varianten: den direkten und den indirekten Wärmeeintrag (in Abb. 1 dargestellt). Bei der direkten Bauweise wird das Wasser getauscht, wobei ähnlich eines Pufferspeichers auf eine gute Schichtung geachtet werden muss, damit sich das kältere Wasser nicht mit dem wärmeren mischt. Diese Variante wird aber nur in den wenigsten Fällen eingesetzt. Meistens wird die indirekte Methode bevorzugt. Hier werden Kunststoff-Rohrschlangen in das Kiesbett eingebracht, welche als Wärmetauscher fungieren. /AEE/

4. Größe

Bislang realisierte Anlagen sind in der Größenordnung 1.000 bis 8.000 m³ einzuordnen. Dabei hängt die Speicherleistung vom Kiesanteil im Füllmaterial ab. Um die gleiche Menge an Energie speichern zu können, müssen Kies-Wasser-Speicher etwa 1,3- bis 2-mal so groß sein wie übliche Heiß-wasserspeicher. /Eisenmann/

5. Anforderungen / Einsatzbedingungen

Im Vergleich zu herkömmlichen Heißwasserspeichern kann auf eine aufwändige Betonkonstruktion verzichtet werden, da der Speicher hervorragende statische Bedingungen liefert. So können oberhalb des Speichers ohne Probleme beispielsweise Straßen oder Parkplätze errichtet werden. /Bodmann et al./ Als Nachteil muss allerdings die im Vergleich zu Wasser geringere Wärmekapazität von Kies erwähnt werden. Dies führt bei gleicher Wärmezufuhr zu einer stärkeren Erwärmung, wodurch auch höhere Wärmeverluste entstehen.

6. Kosten / Wirtschaftlichkeit

Kosten / Wirtschaftlichkeit Die Investitionskosten liegen für eine komplette Anlage im Bereich von 1,4 - 6 EUR/kWh. Eine Aussage zur Wirtschaftlichkeit lässt sich nur nach genauer Betrachtung der Einzelfälle treffen, da die Betriebsparameter wesentlichen Einfluss haben.

7. Technische Reife

Derzeit entstehen bzw. laufen mehrere Pilotprojekte, für die reale Betriebs-bedingungen gelten.

8. Nutzungssektor

Kies-Wasser-Speicher werden hauptsächlich zur Heizungsunterstützung für Gebäudekomplexe verwendet oder integriert in Nahwärmenetzen ausgeführt. Die Wärmezufuhr wird oft durch Solarkollektoren gesichert, kann aber auch durch die Nutzung industrieller Abwärme erfolgen.

9. Hersteller

Kies-Wasser-Wärmespeicher befinden sich derzeit noch in der Entwicklung. Eine Einrichtung, die an der Verwirklichung laufender Projekte beteiligt ist, ist das Forschungsinstitut Solites in Stuttgart.

10. Ähnliche Technologien

Neben dem Kies-Wasser-Speicher gibt es eine verwandte Technologie, welche ähnlich eines regenerativen Wärmetauschers die Gebäudeheizung bzw. Klimatisierung unterstützt. Der sogenannte Schotterspeicher, eine säch-sische Entwicklung des Ingenieurbüros für Haustechnik + Energetik Prof. Reichel GmbH, besteht aus einer Gesteinsschüttung, die von Luft durchströmt wird und dabei entweder Wärme aufnimmt oder abgibt. Der Schotterspeicher ist in Form eines Quaders aufgebaut, wobei an den Stirnseiten jeweils Luftverteilersysteme installiert sind, in denen die Luft ein- bzw. austritt. Als Speichermaterial wird relativ grober Schotter verwendet (Korngrößen 45 – 150 mm), sodass der Druckabfall der durchströmenden Luft nicht zu groß ist. /Reichel 1/ Der schematische Aufbau ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2: Schema Schotterspeicher

Im Sommer wird warme Außenluft durch den unterirdisch angelegten Schotterspeicher gepresst, wodurch diese ihre Wärme und Feuchtigkeit an das noch relativ kalte Gestein abgibt. Somit kann die abgekühlte und entfeuchtete Außenluft für die Klimatisierung eines Gebäudes verwendet werden. Zur Regeneration des Speichers kann dieser Luftstrom nachts umgekehrt werden, sodass die kühlere Abendluft den Speicher wieder auf Umgebungstemperatur herunterkühlt. Im Winter durchströmt nachts die kalte Umgebungsluft den Speicher und erwärmt sich dadurch bis auf das Temperaturniveau des Schotters. Anschließend kann die vorgewärmte Luft in einem Klimagerät bis auf die gewünschte Heiztemperatur erhöht werden. Zur Regeneration des Speichers wird tagsüber die Luft durch den Speicher gedrückt, sodass sich dieser wieder etwas erwärmt. Durch den Einsatz dieses Speichers können im Sommer bis zu 90% der notwenigen Kältemenge und im Winter bis zu 15% an Heizenergie eingespart werden. Dies entspricht in etwa einer CO₂-Einsparung von 150 kg pro m³ Schotter. Dabei liegen die spezifischen Investitionskosten bei etwa 290 EUR pro m³ Schotter. /Reichel 2/