In der SHK-Fachwelt werden Warmhalteverluste gemeinhin als zentrales Effizienzkriterium thermischer Speicher herangezogen. Die stabile Temperaturschichtung im Speicher spielt dabei eine entscheidende Rolle – vor allem, wenn es um Sektorenkopplung und Power-to-Heat geht.
Was passiert, wenn die feinen Temperaturschichten durch unkontrollierte Strömungen zerstört werden?
Damit geht unmittelbar nutzbare Energie – die sogenannte Exergie – verloren. Die Folgen sind sinkende Systemtemperaturen, häufigeres Einschalten des Wärmeerzeugers und eine insgesamt reduzierte Anlagenperformance. Auch in der ganzheitlichen Effizienzbetrachtung von Heizsystemen wird die Rolle des thermischen Speichers häufig unterschätzt. Während intensiv über Wirkungsgrade und Jahresarbeitszahlen von Wärmeerzeugern diskutiert wird, bleibt das vielfach höhere Optimierungspotenzial einer konsequenten Schichtungsstabilität weitestgehend unberücksichtigt.
Messbare Qualität
Schichtenspeicher sind darauf ausgelegt, Temperaturniveaus dauerhaft zu stabilisieren.
Für die objektive Bewertung der Schichtungseffizienz von thermischen Speichern existieren standardisierte Prüfverfahren, unter anderem am SPF Rapperswil in der Schweiz. Als Schichtungs-Spitzenreiter unter den Kombispeichern mit integrierter Trinkwasserbereitung gilt seit 2016 der „Duolink-Cool“ von „Link3“. Dieser erreichte einen Schichtungseffizienzwert von 83,6 Prozent unter den erschwerten Prüfbedingungen ohne Warmwasserzeitfenster.
Diese außergewöhnliche Schichtungsqualität basiert auf einer patentierten Technologie, die konsequent thermodynamische und strömungsmechanische Prinzipien nutzt. Sie erzielt damit Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent. Dieses Ergebnis hat neben dem SPF auch das Zentrum für Innovative Energiesysteme ZIES der Hochschule Düsseldorf und das Wärmepumpenzentrum in Buchs ermittelt.
Details zur Konstruktion
Kernstück ist die integrierte Gegenstrom-Tauschertechnik: Die Helix eines Edelstahl-Wellrohrs zur Trinkwassererwärmung befindet sich in einem gedämmten, oben und unten offenen Ringspalt. Durch thermodynamische Effekte entsteht an der Tauscheroberfläche eine gezielte Turbulenz im Heizungswasser, wodurch der Wärmeübergang stattfindet. Mit steigender Zapfmenge verbessert sich die Wirkung. Dies stellt einen entscheidenden, praxisrelevanten Vorteil bei hohen Trinkwasserleistungen dar.
Zur Sicherstellung der Temperaturschichtung bei Be- und Entladung des Heizungswassers sind im Speicherinneren horizontale Quellauslässe auf unterschiedlichen Höhen angeordnet. Sie überführen Massenströme kontrolliert von turbulenten in laminare Strömungszustände. Ergänzend verhindern speziell entwickelte Schichttrennplatten eine Durchmischung der Temperaturzonen und damit den Verlust nutzbarer Energie.
Im praktischen Betrieb zeigt sich die Wirkungsweise exemplarisch beim Zapfvorgang für eine Dusche: Das erwärmte Trinkwasser wird im oberen Speicherbereich entnommen, wo sich die höchste Wassertemperatur befindet. Gleichzeitig strömt kaltes Trinkwasser im Edelstahl-Wellrohr von unten nach oben. Das im Ringspalt durch Wärmeübertragung abgekühlte Heizungswasser sinkt aufgrund seiner höheren Dichte physikalisch bedingt in die unteren Speicherzonen ab und wird dort sauber eingeschichtet. Dieser Prozess setzt sich während des gesamten Zapfvorgangs kontinuierlich fort und gewährleistet eine stabile Temperaturschichtung bei maximaler Energieeffizienz.
Vom Effizienzbaustein zur Systemschnittstelle
Der Schichtenspeicher ist nicht nur ein Effizienzbaustein im Heizsystem – er ist eine zentrale Schnittstelle im Energiesystem.
Sektorenkopplung verfolgt das Ziel, erneuerbare Stromerzeugung systemdienlich in weitere Energiesektoren zu integrieren. Insbesondere im Gebäudebereich geschieht „Power-to-Heat“ über elektrische Wärmeerzeuger wie die Wärmepumpe oder über elektrische Heizstäbe. In Verbindung mit Photovoltaik-Anlagen entstehen neue Betriebsstrategien: Wärmeerzeugung erfolgt nicht mehr ausschließlich bedarfsgeführt, sondern zunehmend angebotsorientiert, also dann, wenn regenerativer Strom verfügbar oder im Rahmen der dynamischen Strompreisnutzung preislich attraktiv ist. Genau an dieser Stelle kommt der thermische Speicher ins Spiel. Während Batteriespeicher elektrische Energie direkt speichern, übernimmt der Schichtenspeicher die indirekte Speicherung über einen Temperaturhub. Seine Qualität entscheidet darüber, wie effizient elektrische Energie in nutzbare Wärme überführt und zeitversetzt genutzt werden kann.
Eine saubere Temperaturschichtung ermöglicht es, unterschiedliche Temperaturniveaus im Speicher parallel vorzuhalten: hohe Temperaturen für die Trinkwasserbereitung im oberen Bereich, mittlere Temperaturen für Heizkreise im Zentrum sowie niedrige Rücklauftemperaturen im unteren Bereich.
Letzteres führt zur Optimierung der Leistungszahl der Wärmepumpe oder zur Nutzung von Abwärme aus Kälteanlagen. Wird bei PV-Überschuss gezielt nur der obere Speicherbereich nachgeladen, bleibt das niedrige Temperaturniveau in den unteren Zonen erhalten, ein entscheidender Faktor für hohe Jahresarbeitszahlen.
Damit verschiebt sich die Bedeutung der Schichtung: Sie beeinflusst nicht mehr nur den thermischen Nutzungsgrad, sondern die elektrische Systemeffizienz. Jede unnötige Durchmischung erhöht das mittlere Temperaturniveau und verschlechtert unmittelbar die Arbeitszahl der Wärmepumpe. Im sektorengekoppelten Betrieb führt dies zu höherem Strombedarf und geringerer Netzdienlichkeit.
Pluspunkt: Flexibilität
Darüber hinaus eröffnet die zonierte Speicherstruktur neue Möglichkeiten der Lastverschiebung. In Verbindung mit einem intelligenten Energiemanagement und variablen Stromtarifen kann das System gezielt thermische Speicherkapazität aktivieren, um Netzspitzen zu vermeiden. Der Speicher fungiert somit als Flexibilitätsoption innerhalb des Gebäudes.
Die zuvor dargestellte Schichtungseffizienz bildet dabei die Grundlage. Nur wenn Temperaturzonen stabil erhalten bleiben, lässt sich erneuerbarer Strom exergiegerecht in Wärme transformieren. Der Schichtenspeicher ist damit nicht mehr nur ein Effizienzbauteil, er ist ein zentrales Element der Sektorenkopplung im Gebäude und ein entscheidender Hebel für die Integration erneuerbarer Energien in die Wärmeversorgung.
Studien zeigen, dass thermische Speicher durch die Nutzung dynamischer Stromtarife bzw. Sektorenkopplung die Kosten um ca. 20 Prozent senken können, zusätzlich zu den bereits durch die Effizienz erreichten Einsparungen. Neben den wirtschaftlichen Vorteilen einer solchen intelligenten Verknüpfung von Strom- und Wärmesektor leistet man zudem einen entscheidenden Beitrag zur praktischen Umsetzung der Wärmewende.
ElWG-Anforderungen
Das novellierte österreichische Elektrizitätswirtschaftsgesetz sieht vor, dass Flexibilitätspotenziale im Gebäudesektor künftig systematisch aktiviert und über Aggregatoren nutzbar gemacht werden. Im Gebäudebereich bedeutet das: Thermische Speicher müssen nicht nur effizient sein, sondern auch regelbar und tarifgeführt betrieben werden können.
Nicht nur bei Einfamilienhäusern, sondern auch für Gewerbe, Hotellerie und Mehrfamilienhäuser ergibt sich daraus eine Chance. Die typischerweise höheren Wärmelasten bieten größeres Lastverschiebungspotenzial. In Verbindung mit intelligentem Energiemanagement, Smart Metern und Tarifschnittstellen (z. B. via § 33 ElWG zu dynamischen Preisen) können Speicher gezielt als thermische Batterien betrieben werden, sowohl netzdienlich, wirtschaftlich als auch sektorkoppelnd.
Somit fungieren Schichtenspeicher als zentrale Infrastruktur für die Umsetzung der neuen Gesetze und damit für die Dekarbonisierung des Gebäudesektors.
Autor: Markus Leeb/Link3
