Da Wärmespeicher ein zentraler Baustein zur deutlichen Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien in der Wärmeversorgung sind, müssen Forschung und Entwicklung deutlich verstärkt werden. Insbesondere sind folgende Forschungs- und Entwicklungsaufgaben notwendig.

Speicher mit dem Medium Wasser sind bewährt, universell einsetzbar und relativ preiswert. Sie werden auch künftig eine große Bedeutung haben, ihre Optimierung bleibt deshalb ein Schwerpunkt für Forschung-und Entwicklung. Technologien zur Reduzierung der Wärmeverluste von Speichern kommen allen Speichertypen zugute, am meisten aber den Wasserspeichern, bei denen sie auch zuerst eingesetzt werden. Sie werden deshalb in diesem Kapitel mit behandelt. Die spezifischen Anforderungen von Speichern in solarthermischen Anlagen, wie z. B. lange Bevorratungszeiten und Anschlüsse für mehrere Wärmequellen und -verbraucher, machen es notwendig, die Wärmeverluste sowohl über die Speicheroberfläche als auch über die hydraulischen Anschlüsse stark zu reduzieren. Des Weiteren ist der Aufwand an Hilfsenergie zur Beladung zu beachten und die Fehleranfälligkeit der Installation zu reduzieren. Darüber hinaus ist eine möglichst ausgeprägte thermische Schichtung im Speicher sicherzustellen. Hierzu ist primär die Entwicklung von Schichtbe- und Entladeeinrichtungen erforderlich. Die bei der direkten Beladung auftretenden Verwirbelungs- und Vermischungsvorgänge müssen vollständig verstanden und mittels numerischer Simulationsrechnungen mit CFD-Werkzeugen (CFD: Computational Fluid Dynamics) beschrieben werden können. Dies ist auch die Basis für eine Verbesserung der Ausführung der hydraulischen Anschlüsse.

Auch die Nutzung von massiven Wänden und Decken als Wärmespeicher ist
eine vielversprechende Option für SolarAktivhäuser mit einem hohen
Solarwärmeanteil.

Das Erdreich eignet sich vor allem zur Speicherung von großen Wärmemengenauf relativ niedrigem Temperaturniveau, da dessen Wärmedämmwirkung relativ gering, das Speichervolumen allerdings sehr groß ist, so dass bereits bei relativ geringen Temperaturdifferenzen relativ große Wärmemengen gespeichert werden können. Im Erdreich vergrabene Warmwasserspeicher werden in Kapitel 3.3 behandelt. Deshalb bietet sich die Nutzung des Erdreichs insbesondere als Energiequelle für Sorptionssysteme und Wärmepumpen in Kombination mit Solarwärmeanlagen an, die die Auskühlung der Böden verhindern und die Anzahl bzw. Länge der Erdsonden reduzieren können. Gleichzeitig können durch den Einsatz derartiger Speicher die Stagnationszeiten der Solarkollektoren deutlich verringert werden.

PCM-Speicher eignen sich für spezielle Aufgaben der Wärmespeicherung. Das PCM-Speichermedium nutzt bei einer bestimmten Temperatur die aufgenommene Wärme für den Phasenwechsel (z. B. von fest nach flüssig) und kann beim Phasenwechsel in die andere Richtung (z. B. von flüssig nach fest) die Wärme wieder abgeben, ohne die Temperatur zu verändern. Dies ermöglicht eine höhere Speicherdichte und reduziert die Wärmeverluste, da die gleiche Wärmemenge bei niedrigeren Temperaturen gespeichert werden kann als das z. B. in einem Wasserspeicher der Fall ist. PCM-Speicher lassen sich kompakt bauen und können gezielt auf einen Temperaturbereich angepasst werden. Die technologische Herausforderung liegt darin, die für eine Anwendung besten Stoffpaare zu finden und die Be- und Entladung schnell und über eine hohe Zyklenzahl und lange Lebensdauer hinweg zuverlässig zu gestalten.

Das größte Potential im Hinblick auf eine Erhöhung der Speicherdichte und die Verringerung thermischer Verluste weisen thermo-chemische und thermo-physikalische Wärmespeicher auf. Deren Erforschung steht jedoch noch am Anfang, weshalb grundlegende Untersuchungen zur Identifizierung von geeigneten Reaktionen erforderlich sind, bevor die Produktentwicklung vorangetrieben werden kann.

Die F&E-Arbeiten umfassen Grundlagenforschung, System- und Technologieentwicklung und Anwendungsoptimierung. Die Technologieentwicklung für saisonale Wärmespeicherung erfordert aufgrund der Komplexität der Speicherintegration in ein System etwa 6 bis 8 Jahre Entwicklungs- und Realisierungsdauer pro Speichergeneration. Die verschiedenen F&E-Bereiche müssen deshalb parallel entwickelt werden. Ziel ist es, eine Effizienzerhöhung bei sinkenden Investitionskosten der solar unterstützten Nahwärmesysteme mit saisonalem Wärmespeicher zu erreichen, um die Wirtschaftlichkeit der genutzten Solarwärme Schritt für Schritt zu verbessern. Die Technologien zur saisonalen Wärmespeicherung sollen ca. ab 2020 standardmäßig eingesetzt werden können.