Europas solare Zukunft

Thema

Mit der industriellen Revolution begann im 19. Jahrhundert die technische Entwicklung und Anwendung von Wärmespeichern. Aber erst in den letzten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts wurde die Forschung in diesem Bereich intensiviert. Diese Entwicklung verlief parallel mit der Umsetzung von Energieeffizienzmaßnahmen im Gebäudebereich.

Sorptionsspeicher: Neue Perspektiven für die solare Raumheizung

Von Walter Mittelbach und Gottfried Purkardhofer*

Trotzdem ist die Wärmespeicherung, vor allem über lange Zeiträume hinweg, wie dies bei der Nutzung von thermischer Solarenergie zur Raumheizung erforderlich ist, ein noch nicht vollständig gelöstes technisches Problem. Dass es möglich ist, Wärme in großen Wasserspeichern - für ein Einfamilienhaus sind rund 60 bis 80 m³ Speichervolumen nötig - vom Sommer bis zum Winter zu speichern und die Raumwärme- und Brauchwasserbereitung ausschließlich mit Sonnenenergie durchzuführen, haben einige in den vergangenen Jahren realisierte Anlagen gezeigt. Diese Demonstrationsanlagen sind von Bedeutung um einerseits zu beweisen, dass die saisonale Speicherung realisierbar ist und andererseits um die Umsetzungsprobleme aufzuzeigen und so der Forschung im Speicherbereich weitere Impulse zu geben. Aus ökonomischer Sicht sind diese Systeme aber nicht breit umsetzbar.
Aus diesem Grund wurde bereits 1995 von der Firma UFE SOLAR GmbH zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) mit der Entwicklung eines geeigneten Langzeitspeichers auf der Basis der Feststoffsorption (Silikagel) für die saisonale Wärmespeicherung von solaren Raum-heizungssystemen begonnen. Eine kontinuierliche Fortsetzung der Forschung erfolgt durch das von der Europäischen Kommission geförderte Projekt "HYDES". Dieses Projekt hat die Fokussierung der ersten Forschungsergebnisse, die Weiterführung des Materialscreenings bezüglich des Speichermaterials, die Entwicklung der Speicher und der Hydrauliksysteme, das Erstellen von Simulationswerkzeugen sowie die Installation und Vermessung erster Testanlagen in Deutschland, Finnland und Österreich zum Ziel.

Grundprinzip des Sorptionsspeichers

Bei der thermochemischen Wärmespeicherung, die dem Sorptionsspeichersystem zu Grunde liegt, erfolgt die Wärmeumsetzung auf Basis einer reversiblen chemischen Reaktion.Das Grundprinzip des Sorptionsspeichers wird in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Grundprinzip des Sorptionsspeichers. Die Wärmespeicherung basiert auf einer reversiblen chemischen Reaktion, bei der Wärme umgesetzt wird.

Für die Langzeitspeicherung solarer Wärme stellt sich das System der thermochemischen Wärmespeicherung auf der Basis der Adsorption von Wasserdampf in den Poren von Silikagel als technisch durchführbarer Lösungsansatz heraus. Dieses System hat folgende Vorteile:
Neben der hohen Verfügbarkeit und der physiologischen Unbedenklichkeit hat Wasser eine sehr hohe Verdampfungsenthalpie, was zu hohen Energiedichten führt. Kondensiert man Wasser bei einer Temperatur von 50 °C wird eine Wärmemenge von etwa 650 kWh/m³ frei. Da bei der Adsorption von Wasserdampf an der Oberfläche des Silikagels ein Phasenübergang zwischen gasförmiger und flüssiger Phase stattfindet, setzt sich die freiwerdende Adsorptionsenthalpie aus der Kondensationsenthalpie und Anteilen, die aus den Bindungskräften der Oberfläche herrühren, zusammen. In Abbildung 2 sieht man das Befüllen der Speicher mit Silikagel.

Abbildung 2: Befüllen der Speicher mit Silikagel. Silikagel besteht hauptsächlich aus SiO₂ (Quarz) und hat aufgrund des Herstellungsprozesses eine innere Oberfläche von 300 bis 800 m²/g.

Aufgabe des Materials ist eine möglichst hohe Wassermenge adsorptiv zu binden. Dies wird in Silikagelen erreicht. Silikagele sind stark poröse, glasartige Substanzen, die in einem speziellen Verfahren aus wässriger Kieselsäure hergestellt werden. Das Material besteht hauptsächlich aus SiO₂, ist also chemisch identisch mit Quarz, hat aber aufgrund des Herstellungsprozesses eine hohe innere Oberfläche von 300 bis 800 m²/g, an der Wasserdampf adsorbiert wird. Das nutzbare Adsorptionsvolumen beträgt typischerweise zwischen 25 und über 30 % des Schüttungsvolumens.

Systemkonzept

Das Ziel des Konzepts für die solare Raumheizung basierend auf dem Sorptionsspeicher ist ein Gesamtsystem zu entwickeln, das die konventionelle Heizung vollständig ersetzt. Voraussetzung dafür ist ein geringer Heizenergiebedarf, weshalb nur Gebäude in moderner Niedrigenergiebauweise - Heizenergiebedarf < 50 kWh/m² und Jahr - als Einsatzbereich in Frage kommen. Darüber hinaus muss ein Niedertemperaturwärmeabgabesystem wie Wand- oder Fußbodenheizung vorhanden sein.
Die Systementwicklung des Sorptionsspeichers wurde in mehreren Stufen durchgeführt. Den ersten Untersuchungen an einem Speicher im Technikumsmaßstab mit einem Adsorbervolumen von ca. 80 Litern /1/ folgte als nächster Schritt die Installation einer ersten Pilotanlage im Solarhaus Freiburg des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE). Diese Anlage besteht aus zwei Adsorber- und einem Kondensatbehälter. Die drei Behälter haben ein Volumen von je 400 Litern und sind mit verschiedenen Wärmetauschern ausgerüstet, um möglichst breite Erfahrungen für die Konstruktion der Adsorber zu gewinnen. Die Behälter wurden mit einem Standardsilikagel und zwei verschiedenen neuentwickelten Sorptionsmaterialien, die erstmals in dieser Größenordnung technisch untersucht wurden, befüllt. Die Entwicklung sowie die Fertigung der Sorptionsspeicher erfolgt durch den Industriepartner AUSTRIA EMAIL AG in Knittelfeld.
Basierend auf den Erkenntnissen aus den Messungen am Solarhaus Freiburg, wurden Prototypen mit einem Nenninhalt von 1,2 m³ je Sorptionsspeichermodul entwickelt, die in ersten Feldtests in Deutschland (UFE SOLAR GmbH), Finnland (SOLPROS A.Y.) und Österreich (AEE-Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE) untersucht werden. Der Schwerpunkt der Testanlagen in Deutschland und Österreich liegt in der Einbindung in ein teilsolares Raumheizungssystem mit hohem solaren Deckungsanteil. In Finnland liegt der Schwerpunkt in der Einbindung in ein Fernwärmenetz.

Testanlage in Gleisdorf

Die Testanlage in Österreich wird im Versuchsraum der AEE-Gleisdorf installiert und versorgt eine Wohnung der Niedrigenergiehaussiedlung SUNDAYS. Der Heizwärmebedarf der 88 m² große Wohnung liegt bei 33 kWh/m² und Jahr. Der Warmwasserverbrauch für den zwei Personenhaushalt beträgt 25 kWh/m² und Jahr.

Abbildung 3: Die Wohnung links außen wird mit dem Sorptionsspeicher wärmeversorgt. Die Kollektorfläche des Wohnhauses hat 20 m² und versorgt die Testanlage mit Solarenergie.

Die Testanlage besteht aus einer thermischen Solaranlage mit 20 m² Kollektorfläche, zwei Sorptionsspeichern und einem Kondensatbehälter mit einem Volumen von je 1.250 Litern (siehe Abbildungen 3 und 4). Der Warmwasserspeicher hat ein Volumen von 300 Litern. Die Verbindung zwischen Wohnobjekt und Versuchsraum erfolgt mittels Mikrofernwärmenetz.
Im Sommer und während der Übergangszeit, wenn die Solarstrahlung entsprechend hoch ist, werden die Sorptionsspeicher von der Solaranlage in Abhängigkeit des Beladungszustandes einzeln, seriell oder parallel beladen. Ebenso wird der Warmwasserspeicher im Sommer durch die Solaranlage beladen. Bei der Trocknung des Silikagels - Ladung des Sorptionsspeichers - fällt Wasserdampf an, der durch die drei folgenden Wärmesenken kondensiert und im Kondensatbehälter für die Verdampfung - Entladung des Sorptionsspeichers - bevorratet wird. Diese Wärmesenken sind:

• Boiler
• Regenwasserspeicher
• Kollektorfläche

Mit der anfallenden Kondensationsenergie beim Laden des Sorptionsspeichers wird der Kaltwasservorlauf im Boiler vorgewärmt. Ist die Temperatur im Boiler zu hoch, erfolgt die Kondensation über die Senke Regenwasserspeicher. Eine weitere Variante ist die Rückkühlung der Kondensationswärme über die Kollektorfläche in der Nacht.
Zu Beginn und Ende der Heizperiode wird solar geheizt, wobei der Sorptionsspeicher analog zum Wasserspeicher als sensibler Puffer genutzt wird, ohne sorptiv entladen zu werden. Die Wärmekapazität entspricht in diesem Fall in etwa ¼ eines Wasserspeichers. Das Brauchwasser wird weiterhin durch die Solaranlage erwärmt. Bei Objekten mit hohen passiven Solarerträgen wird bei solarer Einstrahlung beinahe keine Heizenergie benötigt, sodass die sensible Wärme aus den Sorptionsspeichern in der Nacht in das Heizungssystem abgegeben werden kann.

Abbildung 4: Hydraulikkonzept der Testanlage in Gleisdorf. Sorptionsspeicher und Kondensatbehälter haben je 1.200 Liter. Der Warmwasserspeicher hat ein Volumen von 300 Liter.

Kann der Heizwärmebedarf nicht mehr durch sensible Pufferung gedeckt werden, wird der Speicher sorptiv entladen. Als Niedertemperaturquelle dient in diesem Fall primär die Solaranlage. Wenn die notwendige Verdampfungstemperatur durch die Solaranlage nicht mehr aufgebracht werden kann, wird bei der Testanlage über einen Durchlauferhitzer Verdampfungswärme zugeführt. Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, muss eine Notheizung vorhanden sein. Dies kann z. B. durch einen offenen Holzkamin, Strom oder einen Kleinstflüssiggasbrenner erfolgen. Im Falle der Testanlage wird die Versorgungssicherheit ebenfalls durch den Durchlauferhitzer gewährleistet.
Die Testanlage wurde Anfang September in Betrieb genommen. In der ersten Testphase werden Speicherbelade- und Entladeversuche durchgeführt, um die 1.250 Liter Speicher zu charakterisieren. In weitere Folge werden Tests mit den verschiedenen Wärmequellen (Solaranlage und Nachheizung), Wärmesenken für die Kondensation sowie den Wärmesenken Heizung und Warmwasserspeicher durchgeführt. Während dieser Tests wird die Wohnung noch nicht wärmeversorgt, da die Versorgungssicherheit nicht gewährleistet werden kann. Dies geschieht in der dritten Testphase, wenn erste Ergebnisse aus den umfangreichen vorangegangenen Tests ausgewertet sind und erste Regelkonzepte automatisiert umgesetzt werden können. Bei der Versuchsanlage werden alle Energieströme und relevanten Temperaturen sowie die globalen Wetterdaten erfasst. Die Ergebnisse der Tests sind die wesentlichen Voraussetzungen für die Entwicklung einer Regelung und die Optimierung des Speichersystems.

Literatur:
/1/ Mittelbach W., Henning H.-M., 1998, Sorptionsspeicher - Saisonale Energiespeicherung mit hohen Energiedichten, Tagungsbericht Gleisdorf Solar 1998

*) Dipl.-Phys. Walter Mittelbach ist Gesamtprojektleiter des EU-Projektes "HYDES". Mitarbeiter bei UFE SOLAR GmbH im Büro Berlin, Deutschland.
Dipl.-Ing. Gottfried Purkarthofer ist Projektleiter des Projekts "HYDES". Mitarbeiter der AEE, Österreich, http://www.aee.at [^]