Neue Wege in der Solarthermie

Speicher

Für Personen, Gemeinden oder Behörden, die sich für eine nachhaltige Entwicklung einsetzen, sind Niedrigenergiehäuser mit einem jährlichen Heizenergiebedarf von 40 bis 45 kWh/m² vor allem in Kombination mit einer thermischen Solaranlage interessant.

Neue Speicherkonzepte für Niedrigenergiehäuser
IEA Task 32

Von Jean-Christophe Hadorn*

In verschiedenen Ländern werden unterschiedliche Konzepte erfolgreich umgesetzt, wie z.B. das Passivhaus in Deutschland oder das „Minergie-Haus“ in der Schweiz, das schon in 10% der Neubauten im Einfamilienhausbereich verwirklicht wird. In Frankreich wird derzeit das Energie-Plus-Haus am Markt eingeführt, das mehr Strom und Wärme produziert, als es benötigt. Hohe Dämmstandards, qualitativ hochwertige Fenster, Wärmerückgewinnungsanlagen und passive Systeme wie Abschattungsvorrichtungen verringern den Heiz- und Kühlenergiebedarf des Gebäudes auf ein Viertel des Werts, der noch vor 20 Jahren Standard war.
Eine energie- und kosteneffiziente Methode der Energiespeicherung, um die Solarenergie über die Wintermonate zu speichern, fehlt noch. Die Task 32 ist Teil des Programms für Solares Heizen und Kühlen der Internationalen Energieagentur (IEA SHC). Das Hauptziel dieser Task ist es, neue oder verbesserte Konzepte zu entwickeln, um thermische Solarenergie für Heizen oder Kühlen zu speichern.

Ziele der Task

Inhalt der Task 32 ist die Entwicklung von Speicherkonzepten für Gebäude mit Solaranlagen mit einem solarem Deckungsgrad bis zu 100%. Weiters sollen Speicherkonzepte für nicht-solare Heiz- oder Kühltechnologien wie z.B. Wärmepumpen oder Heizkessel mit fossilen Brennstoffen bereitgestellt werden. Dadurch soll das Takten der Anlagen minimiert und der Schadstoffausstoß durch unvollständige Verbrennung reduziert werden. Im Rahmen des Projekts sollen Speicher entwickelt werden, die in bestehende thermische Anlagen für Niedrigenergiehäuser wie Solaranlagen, Wärmepumpen oder Heizkessel integriert werden können.
Die Task wurde im Juli 2003 gestartet und es war geplant, im Dezember 2006 die Arbeiten abzuschließen. Aufgrund von unerwarteten Schwierigkeiten bei der Durchführung von Labortests mit neuen Materialien und bei der Entwicklung von Modellen von Speicherkonzepten wurde die Laufzeit um 12 Monate bis Dezember 2007 verlängert.

Organisation der Task

Die Task ist in vier Arbeitsgruppen, den sogenannten Subtasks gegliedert. Subtask A beschäftigt sich mit der Erhebung von Daten und der Verbreitung der Ergebnisse der Task. Die Leitung für die Subtask A liegt bei den schweizer und den französischen Taskteilnehmern.
Dr. Chris Bales von SERC (Solar Energy Research Center) in Schweden ist der Leiter der Subtask B. Die Inhalte der Subtask B sind Speichertechnologien, die auf chemischen Reaktionen oder Sorption basieren.
Subtask C beschäftigt sich mit Phasenwechselmaterialien und wird von Univ. Prof. Dr. Wolfgang Streicher von der TU-Graz geleitet. Die vierte Arbeitsgruppe, die Subtask D, beschäftigt sich mit dem Thema „Wasser“ und wird von Dipl.-Ing. Harald Drück von der Universität Stuttgart in Deutschland geleitet.

Vergleichskriterien

Die Methode um die verschiedenen Systeme zu vergleichen, die in den drei anderen Subtasks definiert werden, basiert auf der sogenannten FSC-Berechnungsmethode. Diese wurde in vorhergehenden IEA SHC Tasks entwickelt und wird nun in der Task 32 modifiziert angewandt. Dabei ist es notwendig, Vergleichsdaten aus experimentellen Untersuchungen zu gewinnen.

Randbedingungen

Die Randbedingungen für die Computersimulationen wurden vom österreichischen Team erarbeitet. Zur Auswahl bei der Simulation stehen vier Klimata (Abbildung 1), drei Gebäudetypen und unterschiedlichste Heiz- und Kühlsysteme. Es wurde eine „Referenzsolaranlage“ definiert, die eine solare Kombianlage zur Warmwasserbereitung und Raumheizung darstellt. Somit können alle Speicherkonzepte mit den gleichen Randbedingungen simuliert werden. Die Simulationen erfolgen mithilfe des Simulationstools TRNSYS.

Abbildung 1: Es wurden vier Klimata für die Vergleichssimulationen der Speicherkonzepte festgelegt

Die Homepage der Task 32 wird laufend mit den neuesten Dokumenten aktualisiert. Sie dient als Plattform für den Informationstransfer für die Teilnehmer der Task mit über 150 Dokumenten, Präsentationen von Meetings und Artikeln. Auf der Homepage der IEA SHC www.iea-shc.org befindet sich der Link zur Task 32 und zu anderen aktuellen Tasks.

Subtask B: Sorption und chemische Speicherung

Im Rahmen der Subtask B werden anhand von fünf Projekten die Vorgänge bei der De- und Adsorption in Speichern mit Sorptionsmaterialien untersucht. Sorptionsspeicher sind komplexer als Wasserspeicher. In verschiedenen Projekten wird der Einsatz von Sorptionsmaterialien als Wärmepumpe untersucht. Z.B. in Schweden wurde der Thermo-Chemische-Akkumulator von der Firma Climate Well entwickelt. Der Apparat kann Wärme und Kälte zur Verfügung stellen und ist für den Einsatz in südeuropäischen Klima geeignet.
In Deutschland wird ein neuer Speicher entwickelt, in dem 8 m³ Zeolith als Speichermaterial für ein Einfamilienhaus eingesetzt wird (Abbildung 2). Die Untersuchungen an diesem Speicher werden im Laufe des Jahres 2006 durchgeführt. In Österreich wurde von der AEE INTEC im Jahr 2005 ein Speicher mit 1000 kg Silicagel für eine solare Kombianlage installiert. Die Anlage wird nun für ein Jahr gemessen.

Abbildung 2: Im Projekt „Monosorp“ wird der Einsatz von Zeolith in Saisonspeichern untersucht

Subtask C: Speicher mit Phasenwechselmaterialen

Phasenwechselmaterialien (engl. Phase Change Materials, kurz PCM) nutzen zur Wärmespeicherung die latente Wärme des Phasenübergangs zwischen fest und flüssig (Schmelzwärme). Da beim Phasenwechsel große Wärmemengen bei geringer bis keiner Temperaturänderung gespeichert bzw. frei werden, finden PCMs zur Temperaturstabilisierung und für den Bau von Wärmespeichern hoher Speicherdichte Verwendung (Heinz et al., 2006).
Im Rahmen der Subtask C wird der Einsatz von PCMs als Speichermedium untersucht (Abbildung 3). Bei sechs Beispielen wird der Einsatz von Natriumacetat Trihydrat als PCM analysiert. Die Arbeiten im Jahr 2005 beschäftigten sich in erster Linie mit verschiedenen Systemkonzepten.

Abbildung 3: Der Einsatz von Speichern mit Phasenwechselmaterialien wird in Subtask C untersucht

Ein Nachteil der meisten Salzhydrate ist die Unterkühlung. Dies bedeutet, dass das Material beim Abkühlen nicht bei der eigentlichen Schmelztemperatur kristallisiert, sondern erst bei einer Temperatur, die teilweise weit tiefer liegt (Heinz et al., 2006). Die Modellierung des Unterkühlungseffekts („Super Cooling“) ist eine schwierige Aufgabe, die von zwei Teams gelöst werden soll. Die Modelle sind noch nicht vollständig entwickelt, erste Ergebnisse konnten jedoch bereits erzielt werden. Das dänische Projektteam konnte in einer theoretischen Studie mit Hilfe eines vereinfachten Modells zeigen, dass saisonale Speicher von diesem Effekt auch profitieren können. Dieser Vorteil wirkt sich in einer Verringerung des Speichervolumens um 30% aus.

Subtask D: Wasserspeicher

Im Rahmen der Subtask D wurde ein Bericht über Wasserspeicher für solare Kombianlagen veröffentlicht. Im Bericht wurden die Möglichkeiten der Verbesserung des solaren Energieeintrags, die bessere Integrationsmöglichkeit des Speichers in das System und die kombinierte Nutzung von Wasser und Phasenwechselmaterialien erläutert. Weiters wurde der Einsatz von Computermodellen zur Berechnung von strömungsdynamischen Prozessen untersucht. Durch die Vereinfachung der Systeme und den Einsatz von Kunststoffen soll eine Kostenreduktion erzielt werden. In einer dänischen Studie wurden drei Modelle von Speichern untersucht und Empfehlungen für die Umsetzung dokumentiert.
Von den schweizer Teilnehmern wurden 11 solare Kombianlagen verglichen. Die Ergebnisse der Studie waren detaillierte Daten, die ein genaueres Anlagendesign ermöglichen. Für die Jahre 2006 und 2007 wurde den deutschen Teilnehmern der Subtask D die Finanzierung für ihre Arbeit an der Entwicklung von Speichermodellen zugesichert. Hier konnte die Universität in Kassel als neuer Projektpartner gewonnen werden.

Schlussfolgerungen

Die Speicherung von thermischer Energie ist ein wesentlicher Punkt, um die Leistung von Solaranlagen zu erhöhen. Der Einsatz von Phasenwechselmaterialien (PCM) in Kombination mit Wasser als Speichermedium ist derzeit die vielversprechendste Variante. Durch den Einsatz von PCM soll die Speicherkapazität um das Dreifache gegenüber der Speicherkapazität von Wasser erhöht werden.
Neue Speichertechnologien können dazu beitragen, die Effizienz von Feuerungsanlagen zu erhöhen und die Taktzahl zu verringern. Auch bei der Entwicklung von Klimageräten sind die Entwicklungsarbeiten im Bereich der Energiespeicherung von Vorteil.
Die Arbeit der Task 32 der Internationalen Energieagentur bringt mit den Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Energiespeicherung neue Entwicklungen. Diese neuen Technologien werden ihren Einsatz im Bereich der thermischen Solarenergienutzung und energieeffizienten Heizungsanlagen finden.

Thermal energy storage for solar and low energy buildings State of the Art - June 2005 Internationale Experten im Bereich der Wärmespeicherung haben den Stand der Technik auf den Punkt gebracht. Das Buch ist die umfangsreichste Zusammenfassung des Themas seit über 10 Jahren. Kosten: 35 € (plus Versandkosten) Bezug über die Projekthomepage: www.iea-shc.org, Task 32 170 Seiten, Englisch, ISBN 84-8409-877-X

*) Jean-Christophe Hadorn ist Operating Agent der IEA SHC Task 32 und Mitarbeiter des Schweizer Bundesamts für Energie, Groupe Berney - BASE Conultants SA, jchadorn@baseconsultants.com [^]