Wärmespeicher: Die eine beste Technik gibt es nicht

Auf den ersten Blick hat sich nicht viel verändert: Die grundsätzlichen Speichertechnologien sind schon sehr lange bekannt (siehe auch Solarthemen 242). Wasser ist weiterhin das bedeutendste Speichermedium. Insbesondere im Forschungsbereich werden wie auch schon vor einigen Jahren Zeolithe, Silikagele, Parrafine, Salzhydrathe und andere Materialien eingesetzt. Dennoch habe sich die Wärmespeicherung deutlich weiterentwickelt, sagt Harald Drück, der Leiter des Forschungs- und Testzentrums (ITW) für Solaranlagen am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart. Dies hänge mit Fortschritten in der Materialentwicklung sowie auch bei Fertigungstechniken zusammen. Relativ neu auf dem Wärmemarkt sind Vakuumspeicher. Ein solches Produkt hat das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) zusammen mit der Hummelsberger Schlosserei GmbH entwickelt. Das Unternehmen bietet diese Technologie bereits an. Die Speichergrößen liegen zwischen 5 und 30 Kubikmeter. Ähnlich wie bei einer guten Vakuum-Thermoskanne werden die Wärmeverluste bei diesen Speichern so deutlich reduziert, dass sie sogar im Freien ohne weitere Isolierung aufgestellt werden können. Wie Geschäftsführer Jürgen Melzer erklärt, verliere der Speicher bei einer Außentemperatur von minus 10 Grad und einer Temperatur des gespeicherten Wassers von 90 Grad täglich nur 0,2 Grad. Als Anwendungsbereich hat Melzer dabei vor allem Sonnenhäuser im Blick. Vakuumspeicher erschwinglich Der Vakuumspeicher konkurriert mit anderen Großspeichern aus Stahl, wie sie etwa von der Schweizer Jenni Energietechnik AG und der Lorenz GmbH & Co KG angeboten werden. Während der Vakuumspeicher bei einem vergleichsweise geringen Volumen von 5 Kubikmetern noch fast doppelt so teuer ist, gleichen sich die Preise allerdings mit wachsendem Volumen an, denn auch das Dämmmaterial ist bei den Speichern ohne Vakuum ein Kostenfaktor. Bei einem Volumen von 30 Kubikmetern sinkt der Preisunterschied wesentlich. Dabei haben Vakuumspeicher den Vorteil, dass sie nicht ins Gebäude integriert werden müssen, was einerseits die Baukosten verringern kann und andererseits den Wärmeeintrag ins Gebäude im Sommer vermeidet. Dies ist allerdings abhängig von der Gesamtkonzeption. Der ins Gebäude integrierte Speicher muss, wie einige Sonnenhäuser zeigen, kein Nachteil sein. Gänzlich neu seien Vakuumspeicher nicht, sagt Drück. Bislang wurden sie in der Kryotechnik zur tiefkühlenden Lagerung von Gasen eingesetzt. Als Wärmespeicher sei die Technik aber modifiziert worden. So wird das Vakuum gefüllt, um die Stabilität zu erhöhen und die Strahlungswärmeverluste zu verringern. Die ZAE und Hummelsberger verwenden dafür Perlite. Wie die ZAE erklärt, berge das Füllmaterial auch die Chance zu weiteren Kostensenkungen, weil die Außenhülle eventuell dünner ausgeführt werden könne. Auch das ITW entwickelt derzeit gemeinsam mit der Sirch Tankbau Tankservice Speicherbau GmbH große Vakuumspeicher für den Gebäudebereich. Statt Perlite kommt hier nach Aussage von Drück pyrogene Kieselsäure zum Einsatz. Dieses Forschungsprojekt soll noch bis Dezember 2015 laufen. Der Speicher kommt mit 50 Kubikmetern Volumen bereits in einem Sonnenhaus in Münster mit 34 Wohnungen zum Einsatz. Drück sieht hier einen geeigneten Anwendungsbereich für solche Speicher. Er weist aber auch darauf hin, dass Vakuumspeicher nicht die Energiedichte von Wasser erhöhen. Gebäude müssen sparsam sein Je Kubikmeter Wasser können etwa 80 Kilowattstunden Energie gespeichert werden. Dies macht deutlich, dass auch mit effizienten Kollektoren und Warmwasserspeichern nicht jedes Gebäude vollständig oder nahezu vollständig nur mit Solarenergie versorgt werden kann, sondern nur, wenn der Energiebedarf eines Hauses gering ist. Höhere Energiedichten lassen sich nur mit anderen Materialien erreichen. Nach Ansicht von Andreas Hauer, dem Bereichsleiter für Energiespeicherung beim ZAE, kommt man im Gebäudebereich aber nur schwer an Wasser vorbei. So seien Zeolithe, mit denen auch das ZAE arbeitet, mit Blick auf die Speicherkapazität sehr vielversprechend. Allerdings sei der Aufwand viel höher: „Da sind wir bei den Kosten in einer ganz anderen Größenordnung.“ Sinn mache dies bei häufigeren Lade- und Entladezyken und dort, wo höhere Temperaturen benötigt würden, so zum Beispiel 300 Grad Celsius in Gießereien. Gute Erfahrungen habe das ZAE auch mit der mobilen Sorptionspeicherung mit Zeolithen gemacht. So könne etwa Abwärme aus industriellen Anlagen genutzt werden, um an anderer Stelle nach dem Transport per Container zur Wärmeversorgung zu dienen. Ebenfalls Zeolithe verwendet das ITW im Projekt Solarspaces, einem 48 Quadratmeter großen Versuchsgebäude. Getrocknet wird der Stoff mit Luftröhrenkollektoren, um auf die nötige Temperatur zu kommen. Führe man den Zeolithen dann in der Heizperiode Feuchtigkeit zu, werde die gespeicherte Energie gut steuerbar freigesetzt, so Drück. Es werde angestrebt, mit einem 4 Kubikmeter großen Speicher eine solare Deckungsrate von 100 Prozent zu erreichen. Drück sieht für diese Technologie eine gute Perspektive. Die Materialien könnten industriell billig produziert werden. Und für das Gesamtsystem gebe es ein Kostensenkungspotenzial, das zu erschließen aber noch einige Jahre dauern werde. Die eine richtige Speichertechnologie gebe es nicht, sagt Hauer. So müsse die saisonale Wärmespeicherung mit geringen Zyklenzahlen vor allem billig sein. Das spreche eindeutig für sehr große Speicher für ganze Quartiere, wo immer das möglich sei. System ist wichtig Die ideale, möglichst effiziente Speichermethode ist immer im Systemzusammenhang zu suchen. So setzen einige Unternehmen in Verbindung mit Wärmepumpen auf Was­ser/Eis-Spei­cher, um den energiereichen Phasenübergang zu nutzen. Solche Speicher werden nicht isoliert, vereisen durch den Wärmeentzug in der Winterperiode und können ansonsten mit Wärme aus Solarkollektoren wieder aufgetaut bzw. regeneriert werden. Bei wiederum anderen Konzepten werden Beton- oder Erdreichspeicher unter (neuen) Gebäuden eingesetzt. So berichtet Helmut Jäger, beim„e-Tank“ genannten Konzept erreiche die Wärmepumpe einen COP von 7 bis 8. Die Solarwärme wird hier über Polyethylen-Leitungen im Erdreich abgespeichert, das sich vor allem im Sommer erwärmt und dann als Wärmequelle dient, die aber nur mit einer Wärmepumpe auf das benötigte Niveau gebracht werden kann. Die Effizienz stecke hier nicht im Erdreichspeicher, sondern im Gesamtsystem. Effizienzlabel für Speicher Beim Großteil der Solarsysteme stehen solche Speicherpotenziale gerade im Bestand meist nicht zur Verfügung. Allerdings kann auch bei den Standard-Speichern mehr auf Effizienz geachtet werden. Wichtig seien eine gute Dämmung, die Vermeidung von Wär­me­brücken, die turbulenzfreie Schichtung im Speicher sowie eine gute Anordnung der Anschlüsse, erläutert Drück, um zu einem effizienten Speicher zu kommen. Wegen der Ökodesign-Verdordnung werde das Thema für Hersteller wichtiger. In diesem Jahr werden Speicher bis zur Größe von 500 Litern in Energieeffizienzklassen eingeteilt. Dies schaffe auch für Verbraucher eine Orientierungsmöglichkeit. Dabei wer­de es schwer, so Drück, die Effizienzklasse A zu erreichen. Wesentliches Kriterium seien die Wärmeverluste eines Speichers. Andere Aspekte für effiziente Speicher, wie eine gute Schichtung im Speicher würden in den Regularien noch vernachlässigt. Text: Andreas Witt,Foto: DLR