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

Wird Sonnenenergie nicht unmittelbar genutzt, muss sie gespeichert werden: Solarstrom in Batterien, Sonnenwärme meist in Wassertanks oder anderen geeigneten Speichermedien. Je länger der Vorrat halten soll, desto größere und besser isolierte Speicher werden normalerweise benötigt.

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In Kooperation mit BINE, dem Bürgerinfomationsdienst neue Energietechniken, stellen wir thermochemische Speicher vor, welche die Kluft zwischen dem optimalen Strahlungsangebot im Sommer und dem maximalen Wärmebedarf im Winter überbrücken sollen.

Sonnenwärme für den Winter sammeln

Thermochemische Speicher (Sorptionsspeicher) ermöglichen eine nahezu verlustfreie Wärmespeicherung bei hohen Energiedichten und schaffen so die Grundlage für die ganzjährige Versorgung mit Solarwärme. In Fernwärmenetzen können thermochemische Speicher den Lastausgleich übernehmen - als Puffer zwischen Netz und Heizsystem. Von der weiteren Erforschung der Sorptionsmaterialien versprechen sich die Forscher und Entwickler Effizienzsteigerungen durch höhere Energiedichten und die Anpassung an die Bedingungen der Speicherung im Niedertemperaturbereich.

Im Sommer kann das üppige Angebot an Sonneneinstrahlung in Deutschland gut genutzt werden: Eine solarthermische Anlage mit Flach- oder Röhrenkollektoren deckt den Wärmebedarf eines Haushalts zu 100 %. Für einen Vier-Personen-Haushalt genügt eine Kollektorfläche von etwa 10 Quadratmetern und ein Wasserspeicher mit einem Volumen ab 600 Litern, um einige Regentage zu überbrücken. Doch im Winter reicht die Sonne allein nicht aus. Die erforderliche Heizwärme kann nicht allein von den Kollektoren geliefert oder in ausreichender Menge dem Speicher entnommen werden. In Ein- und Zweifamilenhäusern wären zur effektiven Heizungsunterstützung große, teure Tanks mit einem Volumen von 60 bis 80 Kubikmetern erforderlich, die den Keller fast komplett ausfüllen würden. In der Regel muß ein konventioneller Brenner oder eine Holzheizung einspringen und nachheizen, wenn die Sonne nicht die Kraft hat, um genug warmes Brauchwasser und Energie für die Heizung zu liefern.

Ganzjährige solare Heizung scheint derzeit nur in Solarsiedlungen mit Nahwärmeversorgung wirtschaftlich interessant: Dort wird die Wärme der Sommertage in unterirdischen Behältern (Wassertanks, Erdsondenspeicher) gespeichert, die bis zu 20.000 Kubikmeter fassen. Für Ein- oder Mehrfamilenhäuser könnte der Sorptionsspeicher die Lösung sein. Er funktioniert wie eine "chemische Wärmepumpe" und beansprucht nur wenig Raum im Keller.

Sensibel, latent oder thermochemisch - unterschiedliche Speicherprinzipien und -kapazitäten

Normalerweise wird der Ertrag der Kollektoren im Keller "aufbewahrt". Die herkömmlichen Speicher sammeln erwärmtes Wasser, dessen Temperatur man fühlen kann. Hier sprechen die Fachleute von "sensibler" Wärmespeicherung. Pro Kubikmeter können etwa 60 Kilowattstunden Energie gespeichert werden. Bei der so genannten latenten Wärmespeicherung ändert das Medium zwischen Ladung und Entladung seinen Aggregatzustand, beispielsweise von flüssig zu gasförmig. Speichermedien wie Paraffin oder Salzhydrate können bis zu 120 Kilowattstunden pro Kubikmeter speichern.

Große Erwartungen verbinden Forscher und Entwickler mit thermochemischen Speichern: Die Energiedichte, die in solchen Speichern pro Kubikmeter erzielt werden kann, reicht von 200 bis 500 kWh pro m³. Dem Speichermittel (Silikagel oder Zeolith, beides Stoffe mit großer innerer Oberfläche) wird beim Laden des Speichers im Sommer Wärme (z.B. von der Solaranlage) zugeführt und Wasser in Form von Dampf entzogen. Nach diesem "Trocknen", der Desorption, kann der Vorgang in umgekehrter Richtung wiederholt werden. Bei der Zufuhr von Wasserdampf lagert sich dieser an die porösen Speichermedien an (Adsorbtion) und gleichzeitig wird Wärme frei. Im Winter kann eine thermische Solaranlage als Niedertemperaturquelle für den Verdampfungsprozess genutzt werden.

Saisonale Wärmespeicher für das "Sonnenhaus"

Einen Speicher auf der Grundlage von Silikagel will der Kollektorhersteller UFE SOLAR gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg bis zur Marktreife entwickeln. Zentraler Bestandteil ihres Leitprojekts im brandenburgischen Bruchhagen ist ein saisonaler Wärmespeicher als Basis eines autarken Solar-Heizsystems, das sowohl technisch als auch wirtschaftlich überzeugen soll. In der Sonnensiedlung Uckermark soll der neuartige Speicher praktisch erprobt werden. Die Speichermodule - sie enthalten das Silikagel, die Wärmetauscher und einen Vorratsbereich für das Kondensat - sind in den Solar- und Heizkreislauf eingebunden. Um das Sonnenhaus Uckermark, ein Gebäude nach dem Niedrigenergiehaus-Standard (Energiebedarf weniger als 50 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr) vollständig solar zu heizen, ist ein 10 - 12 m³ großer Sorptionsspeicher erforderlich, berechneten die Forscher mit Simulationsprogrammen. Die Simulationen ergaben auch, dass 30 - 35 Quadratmeter Kollektoren auf das Dach müssen, damit die Rechnung aufgeht. Tests und Messungen über mehrere Heizperioden sollen helfen die neue Speichertechnik zu optimieren. In Serie gefertigt, könnten Sorptionsspeicher der Sonnenheizung zum Durchbruch verhelfen, indem sie die solare Deckungslücke im Winter schließen, hofft UFE SOLAR. Wann die Speicher auf den Markt kommen und was sie kosten werden ist noch offen.

Bereits im Januar 2000 berichtete der Solarserver im Solar-Magazin über das Speicher-Projekt, welches 1999 mit einem Innovationspreis ausgezeichnet worden war. Die zukunftsträchtige Technologie ist nach wie vor faszinierend. Die vollständige Deckung des Heizwärmebedarfs durch die Sonne könnte der Solarthermie einen Boom bescheren, der mit den Effekten des Erneuerbare-Energien-Gesetzes und des 100.000 Dächer-Programms vergleichbar wäre. Voraussetzung hierfür ist, das die Speicher kostengünstig und gut zu bedienen sind. Die Grundlagenentwicklung des von der Europäischen Union im Rahmen des Programms JOULE geförderten Projekts haben UFE SOLAR und das ISE abgeschlossen. Als nächste Schritte erfolgen derzeit die Integration des Speichersystems in ein Gebäude sowie die Implementierung und Tests der Regelung. Im kommenden Winter sollen zwei Prototypsysteme in Bruchhagen, Brandenburg (UFE SOLAR) und in Gleisdorf, Österreich (Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie, AEE) untersucht werden. Die Installation in Bruchhagen wurde kürzlich abgeschlossen, in Gleisdorf ist sie vorbereitet.

Weitere Forschungsaktivitäten unterstützt das auch Bundeswirtschaftsministerium finanziell. Seit Herbst 2000 arbeitet UFE SOLAR gemeinsam mit der deutschen Tochter des internationalen Chemie-Unternehmens "Grace", Norderstedt, an der Entwicklung neuer Sorptionsmaterialien. Am 28. und 29. Mai 2001 informierten sich Mitglieder des Forschungsverbandes Sonnenenergie (FVS) bei einem Workshop in Köln über Speichertechnologien - auch hier stand die Thermochemie auf der Tagesordnung.

Solares Trocknen / Lastausgleich im Fernwärmenetz

Denkbar ist der Einsatz der Sorptionstechnik auch als interessante Variante der solaren Trocknung: Die Universität Hohenheim hat einen Sorptionsspeicher entwickelt, der die Abluft eines Hallenbades entfeuchtet und im Zuge der Adsorbtion gleichzeitig erwärmt. Diese neue Lösung könnte auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten interessant werden - wenn die Regeneration des Sorptionsmittels weiter optimiert wird.

Als Puffer zwischen dem Fernwärmenetz und eigenem Heizsystem nutzt eine Münchner Schule den Sorptionsspeicher: In einem Pilotprojekt untersuchen die Münchner Gesellschaft für Stadtentwicklung (MGS) und das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE) seinen Einsatz zum Ausgleich der Lastzeiten. Nachts und an Wochenenden, wenn der Heizbedarf der Schule niedrig ist, wird ein Speicher mit Fernwärme geladen, der als Sorptionsmaterial 7.000 Kilogramm Zeolith 13X enthält. Dieses lässt sich bereit bei Temperaturen ab 110° Celsius effizient trocknen. Mit Fernwärme auf 130° erhitze Luft nimmt das an Zeolith gebundene Wasser auf und läd den Speicher. Tagsüber kann die Schule vom Fernwärmenetz abgekoppelt werden: Der Speicher liefert dann die Energie für ein System aus Luft-, Radiator- und Fußbodenheizung, dessen Vorlauftemperatur bei 65° Celsius liegt. Hierfür wird die zurücklaufende Wärme (25-30°) aus der Heizung genutzt: Kalte, feuchte Luft wird in den Speicher geleitet, die Adsorptionsenergie freigesetzt und wiederum in den Heizkreislauf eingespeist.

Der Speicher ist seit 1996 in Betrieb und erreicht 86% des theoretisch möglichen Wirkungsgrades. Allerdings rechnet sich die Investition von rund 100.000 Mark pro Megawattstunde (MWh) nur, wenn über 100 Lade- und Entladezyklen pro Jahr erfolgen. Würden solche Systeme in kleinen Serien produziert, könnten sie für 50.000 DM pro Megawattstunde hergestellt werden - und sich in 10 bis 15 Jahren amortisieren. Wie für die autarken Solarheizungen gilt auch für diese Technik, dass sie sich nur dann am Markt etablieren kann, wenn sie kostengünstig und ohne Verzicht auf Komfort betrieben werden kann.

Material und Bilder: Fachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft für wissenschaftlich-technische Information mbH (BINE Informationsdienst); UFE SOLAR GmbH, Berlin; Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie (AAE), Gleisdorf.

Redaktion Solarserver: Rolf Hug.

Weitere Informationen zu thermochemischen Speichern:
http://www.solarserver.de/solarmagazin/anlagejan2000.html#top

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