Zeitschrift EE

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2012-01

Solarthermie

Abbildung 1:2,2 m³ Pufferspeicher FLEXSAVE Duo Quelle: Firma FSAVE Solartechnik GmbH

Der Umbau der Energiewirtschaft hin zu steigenden Anteilen regenerativer und damit fluktuierender Energiequellen macht die Entwicklung geeigneter Speichertechnologien notwendig. Ein wichtiger Entwicklungsschwerpunkt für eine verstärkte Nutzung der thermischen Solarenergie zur Gebäudebeheizung mit hohem Deckungsanteil ist eine verbesserte Wärmespeicherung [1].

Thermische Energiespeicher im Gebäude
Ein Überblick über neue Technologien

Von Henner Kerskes und Harald Drück *

Einleitung

Der Speicher stellt heute als Zentrum für die Speicherung und Verteilung der Energie neben dem Kollektor die wichtigste Komponente in einer Solaranlage dar. Neben der Speicherung fühlbarer Wärme rücken insbesondere physikalische und chemische Speichermechanismen in den Fokus von Wissenschaft und Anwendung. Die Nutzung von Phasenwechselmaterialen ist nach wie vor ein Forschungsschwerpunkt für Anwendungen mit geringer Temperaturdifferenz des Arbeitsmediums. Der thermochemischen Wärmespeicherung wird das größte Potential zugesprochen, weil sie hohe spezifische Speicherkapazitäten aufweist und sich aufgrund ihrer geringen Wärmeverluste besonders für die Langzeitwärmespeicherung geeignet.

Innovative Warmwasserspeicher

Obwohl der technische Entwicklungsstand der Warmwasserspeicher bereits relativ hoch ist, bietet diese Technik für die solare Heizungsunterstützung mit hohen Deckungsanteilen immer noch ein hohes Entwicklungspotenzial. Hierbei stehen die Kostensenkung durch Verwendung günstiger Materialien, die modulare Bauweise zur Realisierung großer Speichervolumina insbesondere im Gebäudebestand, die Verbesserung der Be- und Entladeeinrichtungen, die Entwicklung innovativer Dämmmaterialien sowie eine verbesserte regelungstechnische Einbindung in das Heizungssystem im Vordergrund [2].
Die nachfolgenden Beispiele geben einen Einblick bezüglich unterschiedlicher Konzepte. Es sei betont, dass dies lediglich eine Auswahl ist und keine Bewertung darstellt.

Warmwasserspeicher aus Stahl

Den Stand der Technik stellen derzeit noch große Warmwasserspeicher aus Stahl dar. In den zum Teil mehrere Meter hohen Stahltanks werden unterschiedliche Konzepte zur Trinkwassererwärmung eingesetzt. Sie werden als Tank-im-Tank-Speicher angeboten (z.B. von der Fa. Jenni), mit eingetauchtem Wärmeübertrager oder externen Frischwasserstationen. Während im Neubau die Errichtung des Speichers während der Bauphase relativ problemlos ist, ist die Einbringung im Gebäudebestand aufwendiger. Die naturgemäß recht schweren Stahlspeicher müssen dort von Spezialisten vor Ort zusammengeschweißt werden. Da es sich in der Regel um Druckspeicher handelt, ist die geometrische Gestaltung durch den Druckbehälter weitestgehend vorgegeben. Der Vorteil dieser Technik ist, dass sie gut erprobt ist und bereits langjährige Erfahrungen vorliegen.

Große Kunststoffspeicher

Neben Stahlspeichern werden zunehmend leichte Kunststoffspeicher angeboten. Die in der Regel drucklosen Speicher zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise in kubischer Form aus. Das geringe Gewicht erleichtert die Einbringung ins Gebäude. Teilweise ist die Wärmedämmung direkt in die Behälterwandung integriert. Speicher bis 1,5 m³ werden zum Beispiel von IVT, Cemowerk oder energie.depot angeboten.
Um der Herausforderung der Realisierung von großen Speichervolumina im Gebäudebestand gerecht zu werden, werden zunehmend leichte Kunststoffspeicher entwickelt, die vor Ort zusammengebaut werden. Von der Firma Haase wird ein glasfaserverstärkter Kunststoffspeicher angeboten, der vor Ort aus Boden, Deckel und Mantelfläche laminiert wird. So entstehen drucklose, runde Wärmespeicher mit Volumina von bis zu 40 m³. Die Wärmeübertrager sind im Speicher integriert.
Ein anderes Konzept wird von der Firma Fsave angeboten. Zur effizienten Raumausnutzung wird ein kubischer Speicher aus einem Stahlgerüst in Verbindung mit Polyurethan-Hartschaumplatten als Wärmedämmung aufgebaut. Das Konzept ist in der geometrischen Gestaltung sehr flexibel und kann den räumlichen Gegebenheiten angepasst werden. Die Wasserdichtheit wird durch Vorort verschweißte Kunststoffplatten aus Polypropylen-Homopolymer (PP-H) erreicht. Speichervolumina zwischen 1,5 und 100 m³ können realisiert werden.Eine weitere Neuerung stellte Fsave in Zusammenarbeit mit der Fa. ContitechElastomerCoatings vor. Der Speicher, mit einem fixen Volumen von 2,2 m³ besteht ebenfalls aus einem Stahlrahmen und Polyurethanplatten zur Wärmedämmung. Im Inneren des Speichers kommt ein flexibler, „aufblasbarer“ Kunststofftank von Contitech zum Einsatz, in dem alle Wärmeübertrager bereits wasserdicht integriert sind (Abbildung 1).

Erdvergrabene Speicher

Neben vor Ort errichteten Speichern werden auch große Kombi- bzw. Pufferspeicher „am Stück“ angeboten, die nicht im Haus eingesetzt werden, sondern außerhalb erdvergraben installiert werden.
Der Mall-Pufferspeicher Solitherm z. B. besteht in der drucklosen Ausführung aus einem äußeren Stahlbeton-Behälter, in dem ein kleiner Edelstahlbehälter eingesetzt wird. Der wassergefüllte Edelstahlbehälter dient als Pufferspeicher und ist mit Wärmeübertragern ausgerüstet. Der verbleibende Freiraum zwischen äußerem Beton-Behälter und Edelstahltank wird zur Reduzierung der Wärmeverluste mit Dämmmaterial aus Blähglasgranulat ausgefüllt. Der gesamte Speicher wird werkseitig vormontiert und komplett im Erdreich verbaut.
Die Firma EBITSCHenergietechnik bietet ebenfalls einen erdvergrabenen Speicher mit einem Volumen von 30 m³ an. Es handelt sich um einen glasfaserverstärkten Kunststoffspeicher mit PU-Schaum-Dämmung, der in mehrere Kammern unterteilt ist. So wird in einem Behälter ein 20 m³ großer Langzeitspeicher, ein 9 m³ großer Kurzzeitspeicher und ein 1 m³ großer Trinkwasserspeicher integriert.

Modulare Speicherkonzepte

Eine weitere Möglichkeit große Speichervolumen zu realisieren besteht darin, einzelne kleinere Behälter zu einem großen Speichervolumen zu kombinieren. Wichtig hierbei ist, dass, anders als bei herkömmlichen Speicherkaskaden, die einzelnen Module zu einem großen Speicher zusammengefasst und gemeinsam gedämmt werden, um die Wärmeverluste zu reduzieren und eine hohe Raumausnutzung zu erreichen. Ein solches Konzept wird von der Firma Consolar in Zusammenarbeit mit dem Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart umgesetzt. Dabei liegt der Fokus vor allem auf der Modularität des Speicherkonzepts, das sowohl für den Einsatz in Ein- und Mehrfamilienhäusern für hohe solare Deckungsanteile als auch für öffentliche Gebäude geeignet ist. Dies wird durch die einfache Verschaltbarkeit von kleinen Einzelspeichern zu einem Gesamtspeichervolumen von bis zu 10 m3 ermöglicht. Durch die Druckstabilität des Speichers wird eine thermisch günstige Einbindung in das bestehende Heizungssystem erreicht und ermöglicht den Einsatz des Speichers in Verbindung mit einer Wärmepumpe.

Pufferspeicher mit Vakuum-Dämmung

Eines der wichtigsten Kriterien zur Leistungssteigerung bei der Speicherung von fühlbarer Wärme ist die Reduzierung der Wärmeverluste. Diesbezüglich sind in der jüngsten Vergangenheit sehr interessante neue Entwicklungen zu Speichern mit Vakuumisolierungen gemacht worden. Hierüber wurde in der Ausgabe Erneuerbare Energie 2011-4 ausführlich berichtet.

Latentwärmespeicher

Bei der latenten Wärmespeicherung wird der hohe Energieumsatz beim Phasenwechsel, z.B. von fest nach flüssig, ausgenutzt. Beim Aufschmelzen von Phasenwechselmaterialen (Paraffine oder Salzhydrate) wird viel Wärme zugeführt, die beim Erstarrungsprozess vollständig wiedergewonnen wird. Im Bereich der Wärmespeicherung haben sich Latentwärmespeicher bisher nicht durchgesetzt. Es gibt nur wenige Hersteller, die diese Technik zur Wärmespeicherung als kommerzielles Produkt anbieten.Sehr interessant ist dagegen der Einsatz von Phasenwechselmaterialien, wenn der Temperaturbereich der Wärmespeicherung gering ist wie beispielsweise in der Gebäudeklimatisierung. Der Arbeits-Temperaturbereich liegt hier typischerweise zwischen 10 und 18°C, beträgt also nur wenige Kelvin Temperaturunterschied. Bei diesen Temperaturdifferenzen ist die Speicherdichte (pro Volumen speicherbare Energie) um ein vielfaches höher gegenüber Kaltwasserspeichern, die nur die fühlbare Wärme speichern. Auch Wasser stellt ein hervorragendes Phasenwechselmaterial bei 0°C dar. Es ist nicht nur sehr preiswert, sondern hat auch eine sehr hohe Schmelzenthalpie. Besonders attraktiv ist der Einsatz für die solare Kälteerzeugung mittels Absorptionskälteanlagen die mit Ammoniak/Wasser als Kältemittel arbeiten und Temperaturen unter 0°C erreichen. Durch den Einsatz eines Eisspeichers wird eine sehr effiziente Kältespeicherung erreicht. Abbildung 2 zeigt den Blick in einen Eisspeicher der am ITW in einer solaren Absorptionskälteanlage erfolgreich erprobt wurde.
Ähnlich günstig sind die Verhältnisse, wenn Phasenwechselspeicher auf der Wärmequellenseite von Wärmepumpen-Systemen eingesetzt werden. So können beispielsweise bei Wärmepumpensystemen, die auf der Wärmequellenseite im Temperaturbereich um0°C arbeiten, Eisspeicher sehr effizient eingesetzt werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Blick in einen am ITW entwickelten Eisspeicher (Quelle ITW Stuttgart)

Thermo-chemische Energiespeicherung
Wärmespeicher mit großem Zukunftspotenzial

Eine Alternative zu großen Wasserspeichern stellt die thermo-chemische Wärmspeicherung (CWS) dar. Auch wenn derzeit noch keine kommerziellen Produkte zur Wärmespeicherung am Markt sind, verspricht die Technologie für die Zukunft enorme Potentiale.Das Prinzip der nachfolgend vorgestellten thermo-chemischen Wärmespeicherung beruht auf der exothermen Reaktion von Wasser mit Salzanhydrat. Bei der reversiblen Hydratisierung lagern sich Wassermoleküle an ein Salzmolekül an. Dabei wird Reaktionswärme freigesetzt, so dass der Prozess als Wärmequelle genutzt werden kann. Durch Zufuhr der gleichen Energiemenge zum Reaktionsprodukt in Form von Wärme auf höherem Temperaturniveau wird die Rückreaktion angeregt. Werden die beiden Ausgangsstoffe räumlich getrennt voneinander gelagert, ist die Wärmespeicherung verlustfrei über einen beliebig langen Zeitraum möglich.
Der Einsatz und Nutzen eines thermochemischen Energiespeichers wird derzeit vom ITW am Beispiel einer solarthermischen Kombianlage untersucht [4]. Durch den thermochemischen Energiespeicher kann der solare Anteil der Wärmeversorgung signifikant gesteigert werden. Im Sommer wird die „Überschusswärme“ der Solaranlage genutzt, um das Speichermaterial zu regenerieren. In Zeiten, in denen die Wärmeversorgung durch die Solaranlage nicht mehr gedeckt werden kann wird der chemische Wärmespeicher entladen.
Abbildung 3 zeigt ein Anlagenschema einer solaren Kombianlage mit thermochemischem Energiespeicher. Der thermochemische Energiespeicher besteht in diesem Fall aus einem Reaktor in dem die chemische Reaktion abläuft und einem separaten Bevorratungsbehälter für hydratisiertes und dehydratisiertes Speichermaterial. Als Wärmequelle dient ein Kollektorfeld, das wahlweise den Kombispeicher aufheizt oder die für die Dehydratisierung des Speichermaterials im Reaktor benötigte Wärme liefert (Abbildung 3).

Abbildung 3: Anlagenschema einer um einen thermochemischen Energiespeicher erweiterten Kombianlage

Bei nicht ausreichender solarer Strahlung wird dem Reaktor dehydratisiertes Speichermaterial aus dem Bevorratungsbehälter und Wasserdampf durch feuchte Luft aus der Umgebung oder durch eine interne Feuchtequelle zugeführt. Die im Reaktor entstehende Reaktionswärme wird in den Kombispeicher abgeführt und das entstandene hydratisierte Speichermaterial getrennt vom dehydratisierten Speichermaterial in einem zweiten Bevorratungsbehälter aufbewahrt. Die Regeneration des Speichermaterials (Rückreaktion) erfolgt vor allem in den Sommermonaten.
Zur Bestimmung der thermischen Leistungsfähigkeit des in Abbildung 3 dargestellten Anlagenschemas wurden numerische Jahressimulationen durchgeführt. Als Speichermaterial für die nachfolgend dargestellten Simulationen wird ein Speichermaterial mit einer Speicherdichte von 250 kWh/m³ verwendet. Die Jahressimulationen sind für ein Gebäude gedämmt nach dem Energieeffizienzhaus-Standard KfW40 mit einem Gesamtwärmebedarf von 7.490 kWh/a durchgeführt worden [3].
In Abbildung 4 ist die jährliche anteilige Energieeinsparung fsav in Abhängigkeit von dem Speichervolumen und der Kollektorfläche dargestellt. Die Kollektorflächen wurden so gewählt, dass während eines Jahreszyklus die bevorrateten Salzhydratmengen vollständig regeneriert werden können. Zur Bereitstellung der benötigten Wärme werden Vakuumröhrenkollektoren verwendet. Im Vergleich hierzu ist ebenfalls in Abbildung 4 die identische Anlage mit einem Warmwasserspeicher anstelle des thermochemischen Speichers dargestellt. Es wird deutlich, dass bei gleicher Dimensionierung die Anlage mit thermochemischem Energiespeicher beachtlich höhere Energieeinsparungen erzielen kann. Vergleicht man die benötigte Anlagengröße zur Erreichung gleicher Energieeinsparung, so wird deutlich, dass die thermochemische Energiespeicherung gegenüber einem auf einem Wasserspeicher basierenden System sowohl das benötigte Speichervolumen als auch die benötigte Kollektorfläche erheblich verringert.

Abbildung 4: Vergleich der jährlichen Energieeinsparung für identische Solaranlagen mit Warmwasserspeicher bzw. mit thermochemischem Wärmespeicher (CWS)

Insbesondere auf Grund des noch sehr frühen Entwicklungsstadiums sind weitere technologische Potentialsteigerungen zu erwarten. Um die Technik zur Marktreife zu führen, sind verstärkte Forschungs- und Entwicklungsarbeiten notwendig. Die erarbeiteten Konzepte zur thermochemischen Energiespeicherung müssen experimentell weiter untersucht und in Demonstrationsanlagen umgesetzt werden.

Literatur
  • [1] H. Kerskes, H. Müller-Steinhagen: Verbesserte Speicherkonzepte für solare Gebäude und Niedrigenergie-Häuser, Tagungsband zum 16. Symposium Thermische Solarenergie, Seite 44 - 49, Kloster Banz, 2006
  • [2] H. Drück, W. Heidemann und H. Müller-Steinhagen:
    Potenziale innovativer Speichertechnologien für solare Kombianlagen
    Tagungsband zum 14. Symposium Thermische Solarenergie, Otti , Mai, 2004
  • [3] H. Kerskes, H. Drück: Saisonale solarthermische Wärmespeicherung im Ein- und Mehrfamilienhaus – eine energetische und ökonomische Bewertung. 21. Symposium Thermische Solarenergie, ISBN 978-3-941785-57-1, 566-571, 2011

*) Dr.-Ing. Henner Kerskes ist seit 1999 am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart auf dem Gebiet der thermischen Solartechnik tätig. In der Abteilung Forschungs-Testzentrum für Solaranlagen (TZS) koordiniert er die Forschungsaktivitäten mit dem Schwerpunkt thermische Energiespeicherung ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )
Dr.-Ing.
Harald Drück ist Leiter des Forschungs- und Testzentrums für Solaranlagen (TZS) ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )e [^]

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