Eine solarthermische Anlage besteht aus mehreren Komponenten: den Sonnenkollektoren, einer Regeleinheit mit Pumpensystem und einem Wärmespeicher. Letzterem kommt eine große Bedeutung zu. Denn schließlich ist es die Aufgabe des Solarwärmespeichers, auch dann Wärme zu liefern, wenn die Sonne nicht mit aller Kraft vom Himmel strahlt, also nachts oder bei Schlechtwetterlage. Größte Erwartung an künftige Solarwärmespeicher ist deshalb das langfristige Speichern von Wärme.

Mittlerweile gibt’s eine ganze Reihe von Wärmespeichersystemen, sowohl für den Einsatz in einem eher privaten Umfeld, als auch für den eher gewerblichen Einsatz. Während ein Warmwasserspeicher im einem Privathaushalt meist nur mehrere Hundert Liter Wasser fasst und damit Wärme für nur wenige Tage vorrätig hält, schaffen es sogenannte saisonale Großspeicher schon heute, Wärme über mehrere Monate zu speichern und damit ganze Stadtteile zu versorgen.

Um jedoch den Part der Solarthermie im Konzert der Wärmelieferanten zu vergrößern, ist die effiziente Speicherung von Wärme unerlässlich. Forscher arbeiten vielerorts bereits an Schlüsseltechnologien, die dazu beitragen sollen, dass das Mehr an Sonnenenergie, das auf Sonnenkollektoren hierzulande natürlicherweise trifft, auch tatsächlich genutzt werden kann, um den Wärmebedarf, der sich damit durchaus decken ließe, zu befriedigen. Konkret heißt das, ein Wärmespeicher muss die Strahlungsschwankungen ausgleichen und den hohen Wärmebedarf in strahlungsarmen Zeiten wie Herbst und Winter ausgleichen.

Worauf kommt es beim Wärmespeicher an?

Die Aufgabe eines Wärmespeichers ist, wie der Name schon sagt, das Speichern der solaren Wärme, die die Sonnenkollektoren eingesammelt haben. Die Wärme, die nicht sofort verbraucht wird, also die überschüssige Wärmeenergie, sollte mit möglichst wenigen Verlusten auf dem Transportweg vom Kollektor zum Speicher gebracht werden, um sie dort zu speichern und später zu nutzen. Demzufolge ist der Wärmespeicher selbst eine Wärmequelle im Heizungssystem. Er versorgt gegebenenfalls Heizung und Brauchwasseranlage mit Wärme. Zudem ist der Wärmespeicher eine Art Puffer, weil er die zum Zeitpunkt X überschüssige Wärme speichert und jederzeit abgibt.

Zum Speichern der Wärme braucht der Wärmespeicher sogenannte Speichermedien, die je nach Dichte unterschiedliche Mengen an Wärme speichern können. Wasser (Brauchwasser) ist derzeit das gebräuchlichste Wärmespeichermedium. Neben Wasser als Speichermedium gibt es auch andere, zum Beispiel Kies-Wasser-Mischungen. Nur wenige Anlagen auf dem Markt verwenden die Gebäudemasse selbst als Medium zur Wärmespeicherung.

Des Weiteren muss der Wärmespeicher an sich optimal angelegt und aufgebaut sein, damit über ihn keine unnötigen Energieverluste stattfinden. Ausgehend von dem Wissen um Wärme und ihrem physikalischen Verhalten, sollte der Speicher unter anderem so gebaut sein, dass er die natürliche Temperaturschichtung unterstützt: Deshalb sind die im Keller untergebrachten Wärmespeicher in der regel lang und rank (aufrechter Zylinder oder Quader).

Kleiner Exkurs: Was ist Temperaturschichtung?

Wasser hat unter normalen Druckverhältnissen je nach Temperatur eine unterschiedliche Dichte. Bei 3,98 Grad Celsius ist diese am höchsten: ein Gramm pro Milliliter. Kälteres Wasser hat eine geringere Dichte, ebenso wie wärmeres. Wobei die Dicht e mit der Entfernung von der Gradzahl 3,98 in beide Richtungen abnimmt. Aufgrund dieser sogenannten Dichteanomalie des Wassers entstehen Auftriebskräfte: Leichtes Wasser steigt nach oben und liegt auf dem schwereren, sprich: dichteren. Diese Schichtung von Wasser unterschiedlicher Dichte nennt man auch Temperaturschichtung.

Herausforderung an die Forschung: Großspeicher für langfristige Wärmespeicherung

Wer mehr als die heute üblichen 20 bis 25 Prozent Deckungsraten bei der Wärmeversorgung (Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung) erzielen möchte, braucht Wärmespeicher, die den Sprung über die Saison hinweg schaffen: sognannte Langzeit-Wärmespeicher oder saisonale Wärmespeicher. Effiziente Systeme sind groß, denn je größer der Wärmespeicher ist, desto geringer sind die Energieverluste, die man für ihn verbuchen muss. Mit der zunehmenden Größe des Wärmespeichers sinken gleichzeitig die Kosten pro Speichervolumen. Große Anlagen ziehen in der Regel ein Nahwärmenetz nach sich, über das die zentral gespeicherte Sommerwärme in der Winterzeit an die angeschlossenen Verbraucher verteilt wird.

Die bewährten Wasserspeichersysteme werden sicher noch eine Weile optimiert werden können und demzufolge noch im Einsatz bleiben. Darüber hinaus widmen sich Forschungen dem Erdreich als Wärmespeicher. Auch sogenannte Phasenwechselmaterialien (kurz: PCM) rücken zunehmend in das Interesse der solarthermischen Forschung. Ebenso thermo-chemische und thermo-physikalische Wärmespeichersysteme.

eTank: Erdspeicher als Langzeitspeicher für Energie

Der sogenannte eTank ist ein spezieller Erdspeicher. Bei einem Neubau würde er unter der Bodenplatte sitzen, im Nachhinein (Sanierungsfall) ließe er sich auch neben einem Gebäude einrichten. Der eTank selbst ist ein mehrfach geschichtetes Erdreich, durch das Leitungen verlegt werden. In den Leitungen fließt ein Wärmespeichermedium, das die Wärme ins Erdreich abgibt, wovon dieses erwärmt wird. Das Erdreich speichert die Wärme zwischen, die bei Bedarf von einer Wärmepumpe abgerufen werden kann. Mehr zum eTank könnt Ihr demnächst auf Ecoquent-Positions nachlesen.

Latentwärmespeicher: Thermo-chemische Reaktion zur saisonalen Speicherung von Wärme

Das Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme Freiburg beschäftigt sich seit Mitte der 1990er-Jahre mit Systemen zur Langzeitspeicherung von Wärme mit hohen Energiedichten: unter anderem dem sogenannten Sorptionsspeicher. Bekanntes Beispiel aus dem Alltag für einen solchen Wärmespeicher sind übrigens die Heizkissen, die man im Winter in die Tasche stecken kann.

Doch zurück zu den Großspeichern: In Versuchen konnten die Fraunhofer Forscher zeigen, dass der Sorptionsspeicher dank einer reversiblen chemischen Reaktion – der Adsorption von Wasserdampf in den Poren von Silikagel funktioniert und diese Form der thermo-chemischen Wärmespeicherung durchaus eine Möglichkeit sein kann, die saisonale Speicherung von Wärme zu gewährleisten. Mehr zum Latentwärmespeicher in Kürze auf diesem Blog.

Foto: Doreen Brumme