Sommersonne für den Winter: Saisonaler Wärmespeicher ermöglicht solare Deckung des Heizbedarfs bis zu 100 %

Der "Sorptionsspeicher", eine Weltneuheit, wurde vom Eberswalder Unternehmen UFE SOLAR gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in einem mehrjährigen Projekt entwickelt.

Innovationspreis Berlin / Brandenburg 1999
für UFE SOLAR

Bislang war die Speicherung von Solarenergie zur Heizungsunterstützung im Winter in größerem Umfang nur in Siedlungen mit solarer Nahwärmeversorgung sinnvoll. Hier wird im Sommer mit Hilfe der Solartechnik Wasser erhitzt und in unterirdischen Behältern für den Gebrauch im Winter gespeichert. Erst die großen Speichervolumia ermöglichen ein stimmiges Verhältnis von Speicherdauer und anfallenden Wärmeverlusten.

Der preisgekrönte Sorptionsspeicher, entwickelt von UFESOLAR und dem Fraunhofer ISE, Freiburg

Die thermochemische Wärmespeicherung, auf welcher der neuartige "Wärmetresor" basiert, nutzt den Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen. Durch solare Wärmezufuhr wird der Speicher geladen. Sie bringt eine chemische Reaktion in Gang, deren Produkte räumlich getrennt werden. Die "Rückreaktion" beim Abkühlen wird durch diese Trennung jedoch verhindert, der Zeitpunkt der Entladung kann dann frei gewählt werden.

Sorptionsspeicher

Für thermochemische Wärmespeicherung geeignete Reaktionen im Niedertemperaturbereich sind die sogenannten Sorptionsprozesse: Ein Gas wird entweder an einer festen, porösen Substanz angelagert (Adsorption) oder in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff aufgenommen (Absorption). Bei diesem Vorgang wird Wärme frei, umgekehrt führt die Zufuhr von Wärme wieder zur Freisetzung des Gases (Desorption). Für die Wärmespeicherung eignet sich Wasserdampf am besten, hier ist der Stoffumsatz chemischer Energie in Form von Wärme (Enthalpieänderung, angegeben in Joule) am höchsten.
Ladung des Speichers durch die Sonnenkollektoren: In einem geschlossenen System wird mittels der von der Solaranlage gelieferten Wärme das Sorptionsmaterial (Silikat=Kieselsäure) getrocknet. Der bei der Ladung des Speichers freigesetzte Wasserdampf wird verflüssigt (kondensiert) und getrennt vom desorbierten, d.h. getrockneten Material (Silikagel) gespeichert.
Entladung des Wärmespeichers: Vor der Rückreaktion wird das Wasser wieder verdampft und anschließend vom trockenen Sorptionsmaterial aufgenommen. Hierbei wird Wärme freigesetzt, die für die Raumheizung genutzt werden kann.
Die Vorteile dieses Verfahren liegen in den wesentlich höheren Energiedichten von 200-300 kWH/m³ (Wasser: 58 kWH/m³) und den geringen thermischen Energieverlusten (im Vergleich zur chemisch gespeicherten Energiemenge sind dies nur etwas über 10%).

Speicherzyklus eines sorptiven Wärmespeichersystems. Bild: Fraunhofer ISE

Die Solaranlage wird sowohl zur Ladung des Speichers im Sommer (Desorption) als auch zur Entladung im Winter (Adsorption) benutzt. Die bei der Adsorption frei werdende Wärme wird zur Heizung genutzt. Die Speicher bestehen aus einer Reihe industriell vorgefertigter, abgeschlossener und evakuierter Behälter, die an den Solarkreis und die Heizungsanlage angeschlossen werden. Jedes dieser Module enthält das Sorptionsmaterial, die Wärmetauscher und einen Vorratsbereich für das Kondensat.

Systemsimulationen

Simulationsprogramme des Fraunhofer ISE ergaben für ein Niedrigenergiehaus am Standort Freiburg mit einem jährlichen Heizbedarf von 4000 kWh, einer Kollektorfläche von 30-35 m² und einem Speichervolumen von 10 - 12m³ einen solaren Deckungsanteil von 100 % - ein echter Durchbruch in der Nutzung der unerschöpflichen Sonnenenergie. Der preisgekrönte Sorptionsspeicher UFE SOLAR, der die sommerliche Wärme über viele Monate nahezu verlustfrei speichert, ermöglicht den Verzicht auf Öl, Gas und Kohle und weist den Weg zum rein solaren Heizen.
Ein Prototyp befindet sich bereits im Bau, die Serienreife wird Mitte 2001 erwartet. Die praktische Erprobung ist in der Solarsiedlung "Uckermark" geplant. In diesem Referenzprojekt sollen 5 Häuser mit Kollektoren und Speichern von UFE SOLAR betrieben werden. Genauere Angaben zu den Kosten des Speichers liegen derzeit noch nicht vor. Bei UFE SOLAR geht man aber davon aus, dass die Amortisation des Speichers innerhalb von 15 Jahren möglich sein wird.

Systemkonzept des Sorptionsspeichers: Deckungsrate. Bild: Fraunhofer ISE

Auf dem Weg zur vollständigen Solarheizung

Der Innovationspreis bestärkt das Technologieunternehmen, auf die hundertprozentige Deckung des Heizbedarfs durch Solarenergie hinzuarbeiten. "Wir sind sehr glücklich über diese Auszeichnung" so Reinhold Weiser, Geschäftsführer von UFE SOLAR. "Der Innovationspreis hilft die Vorteile der innovativen Solartechnik in der Öffentlichkeit bekannter zu machen".
Dieses Ziel verfolgt das Unternehmen auch mit einem EXPO2000-Projekt dessen wesentlicher Bestandteil der neuartige Speicher ist. Prominente Unterstützung bekommen die Eberswalder von Hermann Scheer, dem Träger des Alternativen Nobelpreises 1999. Er hat die Patenschaft für das EXPO2000-Projekt übernommen.

Lesen Sie weiter: Sonne speichern: Thermochemische Wärmespeicher als Perspektive für autarke Solarheizung, Fernwärmesysteme und solare Trocknungsanlagen

Ein wissenschaftlicher Begleittext zur Entwicklung des Sorptionsspeichers kann auf der Website der ufesolar unter http://www.ufesolar.de/ufe1024/f-u-e22.html abgerufen werden.

Bilder und Material: Fraunhofer ISE, Freiburg und UFE SOLAR, Eberswalde
Redaktion Solarserver: Rolf Hug.