Wärmespeicher Pack die Sonne in den Tank

Das Leben auf der Erde ist ohne die Sonne undenkbar: Sie gibt uns Licht und Wärme. Sie funktioniert wie ein riesiger Fusionsreaktor, in dem in jeder Sekunde 650 Millionen Tonnen Wasserstoff zu Helium umgewandelt werden. Entsprechend heiß ist es mit 5500 Grad auf der Sonnenoberfläche, und jeder Quadratmeter leuchtet heller als eine Million Glühbirnen. Auch Deutschland profitiert davon. Die Sonne stellt uns etwa achtzigmal mehr Energie zu Verfügung, als derzeit verbraucht wird.

Das macht sich die Solartechnik zunutze. Damit kann man sowohl Wärme als auch Strom aus der Strahlung gewinnen. Zudem kostet die Sonnenenergie nichts, was in Zeiten steigender Preise für Öl und Gas immer mehr (deutsche) Hausbesitzer veranlasst, sich nicht nur massenhaft Solarzellen (zur Stromerzeugung), sondern auch Solarkollektoren aufs Dach zu setzen. Die Solarbranche meldet satte zweistellige Wachstumsraten. So sind die Ausgaben für Solarwärmeanlagen im zurückliegenden Jahr um 58 Prozent im Vergleich zu 2005 gestiegen. Auf 940.000 Häusern finden sich mittlerweile Exemplare dieser dunkel glänzenden Sonnenwärme-Sammler. Zusammengefasst ergeben sie eine Fläche von rund neun Millionen Quadratmetern - und helfen dabei, jährlich rund 500 Millionen Liter Öl oder Kubikmeter Gas zu sparen.

Zu große Pufferspeicher sind Unsinn

Doch obwohl der Brennstoff tatsächlich kostenfrei zur Verfügung steht, verschlingt das Erwärmen von Brausewasser oder gar das Heizen unserer Wohnungen mit Hilfe der Sonnenenergie dennoch größere Summen. Verantwortlich sind dafür drei Faktoren: Selbst bei optimalen Strahlungsverhältnissen ist die Energieleistung je Quadratmeter recht gering. Zudem brennt die Sonne dann besonders stark, wenn etwa der Heizenergiebedarf besonders gering ist. Und ganz entscheidend: Die eingefangene Sonnenenergie lässt sich nur schwer bunkern.

Diese Aufgabe übernimmt der Pufferspeicher. Er ist daher neben den Kollektoren das wichtigste Teil einer Solaranlage. Ihn übermäßig groß zu wählen ist teuer und zudem aus energetischer Sicht wenig sinnvoll. Denn die von Ende Mai bis Mitte September reichlich vorhandene Sonnenwärme in den Winter retten zu wollen ist auch bei einem großvolumigen Speicher nicht möglich. Um während der „heißen“ Jahreszeit den Kessel abschalten zu können und das Brauchwasser allein von der Sonne auf Temperatur bringen zu lassen, dazu reicht für einen Vierpersonenhaushalt ein 300-Liter-Speicher vollkommen aus. In den kälteren und sonnenärmeren Monaten wird konventionell zugeheizt.

Komplexe und teuere Anlage

Günstig fährt, wer ein neues Haus baut. Denn er benötigt lediglich einen einzigen „bivalenten“ Speicher. In ihn schicken die Solaranlage wie auch der Öl- oder Gaskessel Wärme. Solare Deckungsraten von 60 Prozent sind möglich. Bis sich die solare Duschwassererwärmung auszahlt, können aber durchaus zehn Jahre vergehen. Und wer bereits einen (noch nicht amortisierten) fossil beheizten Brauchwasserspeicher im Keller hat und daher für das Solarwasser einen zweiten benötigt, bei dem fällt die Rechnung ebenfalls ungünstiger aus.

Mit der Sonne lässt sich auch heizen. Doch wie rentierlich das ist, lässt sich generell nur schwer sagen. Richtig ist, wer ein Niedrigenergiehaus bewohnt und daher vergleichsweise wenig Heizwärme und damit logischerweise relativ viel Brausewasser-Wärme benötigt, der fährt mit einer solchen Lösung recht gut. Bis zu 35 Prozent der jährlichen Brennstoffkosten lassen sich sparen. Auch hierfür gibt es die Ein-Speicher-Lösung. Für den besagten Vierpersonenhaushalt fasst er 750 bis 1000 Liter und ist, anders als bei der solaren Brauchwassererwärmung, nicht mit Trink-, sondern mit Kesselwasser gefüllt. Soll Trinkwasser erwärmt werden, wird es durch einen im Speicher plazierten Wärmetauscher geleitet. Über einen zweiten, am Boden des Behälters eingebauten Wärmetauscher wird die Solarwärme in den Vorratstank eingelagert. Das gesamte Konstrukt aus Kessel, Kollektor, Speicher, Pumpe und Regelung ist keine triviale Anlage. Sie ist komplex und teuer. Bis sie sich bezahlt macht, können bis zu 15 Jahre vergehen.

Mit Kies geht's einfacher und billiger

Häusliche Speicher sind Kurzzeitspeicher. Doch längst wird auch an Langzeitlösungen gearbeitet, die jedoch nur in großem Maßstab Chancen haben, irgendwann einmal wirtschaftlich zu sein. So hat man die bisher realisierten rund ein Dutzend Saisonalspeicher in die Wärmekonzepte ganzer Stadtviertel oder größerer Bürokomplexe integriert. Stets will man dabei zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Über das hohe Speichervolumen soll die Zahl der Kollektoren klein gehalten und damit Geld gespart werden. Und zudem will man durch das Entzerren von Wärmeangebot (von der Sonne) und -verbrauch den solaren Deckungsanteil möglichst hoch schrauben. Der kostenlose Brennstoff Sonnenenergie soll möglichst intensiv genutzt werden.

Recht unterschiedliche Konzepte werden erprobt. So lagert man bei Aquifer-Wärmespeichern die Wärme in natürlichen, abgeschlossenen Grundwasserschichten ein. Für das Be- und Entladen müssen Brunnen gebaut werden. Um nicht Gefahr zu laufen, dass sich die Qualität des Bodens verändert und das Aquifer zerstört, wird das Speicherwasser nicht über 50 Grad erwärmt. Deutlich höhere Temperaturen sind mit Kies-Wasser-Speichern möglich. Sie gelten als simpel, da der in eine mit wasserdichter Folie ausgekleidete Grube gefüllte Kies für Stabilität sorgt. Einen tragenden Deckel benötigen sie daher nicht, können aber im Vergleich zum reinen Wasserspeicher deutlich weniger Wärme einlagern. Der Grund dafür ist der Kies mit seiner geringen Wärmekapazität.

Auch das Erdreich kann als Speicher dienen

Derzeit werden in Deutschland zwei Großspeicher gebaut. In München steht ein 5700 Kubikmeter fassender (reiner) Heißwasserspeicher kurz vor der Inbetriebnahme. In Sichtweite zum Olympiagelände wird hier Sonnenwärme eingelagert, die eine 2900 Quadratmeter große, auf einige Mehrfamilienhäuser verteilte Flachkollektoranlage einfängt. Den mittlerweile unter einem Erdmantel verborgenen Behälter hat man aus Betonfertigteilen zusammengesetzt, die innen mit Edelstahlblechen verkleidet sind. Die Bleche sind miteinander verschweißt. Für die Dämmung wurden Schaumglasschotter und Blähglas verwendet, Stoffe, die etwas Feuchtigkeit aufnehmen können, ohne ihre Dämmeigenschaften zu verlieren. Das ist nicht unwichtig. Zwar hat man alle nur denkbaren Anstrengungen unternommen, um den Erdtank nicht nur wasser-, sondern auch dampfdiffusionsdicht zu machen. Doch wie der Tank langfristig mit den vorübergehend auftretenden recht hohen Dampfdrücken zurechtkommen wird, muss man abwarten. Es wird kein Einzelfall bleiben, dass innerhalb weniger Stunden Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen von bis zu 40 Grad auftreten.

In Crailsheim entsteht ein ganz anderer Typ von Wärmespeicher. Hier wird man die in einer auf zahlreiche Ein- und Zweifamilienhäuser verteilten 700 Quadratmeter großen Kollektoranlage „geerntete“ Solarwärme im Boden speichern. Nicht im Grundwasser, wie bei den Aquiferspeichern, sondern im Erdreich. Dazu werden 4800 Meter lange Wärmetauscherrohre in 80 - rund 60 Meter tiefe - Bohrlöcher gesteckt. Den Boden will man während der Sommermonate auf 65 Grad erwärmen, um ihn dann im Winter bis auf 20 Grad zu „entladen“. Damit die verwendeten Kunststoff-Erdsonden möglichst lange halten, wird das Solarwasser (es steht unter leichtem Überdruck und kann damit 110 Grad erreichen) nicht sofort in den Boden geschickt. Es kommt erst in einen 480 Kubikmeter großen Pufferspeicher, um etwas abzukühlen. Da auch dieser Behälter unter Druck steht, befindet sich über dem Solarwasser kein Luftpolster: Es kann keine Korrosion auftreten, so dass er nicht mit teurem Edelstahl ausgekleidet werden muss. Es reicht „Schwarzstahl“.

Paraffin in den Wänden

Je leistungsstärker man die (Groß-) Wärmespeicher baut, desto günstiger wird das Zwischenlagern von Solarwärme. Momentan liegen die Kosten noch drei- bis fünfmal über denen der konventionellen Wärmeerzeugung. Dass es schon günstiger geht, zeigt eine (wie die Saisonspeicher) vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg vorangetriebene Entwicklung. Dabei geht es um kleine, in den Innenputz integrierte und mit einem wärmespeichernden Material (Paraffin) gefüllte Kügelchen. Sie fungieren als miniaturisierte Latentwärmespeicher, die ihre Wirkung aus dem wärmespeichernden Potential beim Phasenübergang von fest zu flüssig ziehen. Ähnlich wie bei einer Mischung aus Eis und Wasser, der so lange Wärme zugeführt werden kann (ohne dass sich das Temperaturniveau verändert), bis der letzte Brocken Eis geschmolzen ist, verhält es sich mit den Speicherkügelchen.

Die Patente liegen bei der BASF. Gefertigt wird das Putzmaterial beim Gipskartonspezialisten Knauf. Das Paraffin ist auf eine Wechseltemperatur von genau 25 Grad Celsius „eingestellt“. Raumtemperaturen, die über dieser Marke liegen und als unangenehm empfunden werden, können damit vermieden werden. Das zumindest so lange, bis die Speicherkapazität des Paraffins erschöpft ist.

Wärmespeichern in Mineralien

Bei allen Vorzügen haben Phasenwechselmaterialien (bestimmte Salze können ebenfalls eingesetzt werden) auch Nachteile. So ist das latente Speichern überschüssiger Wärmemengen kein Perpetuum mobile. Das Einlagern von Wärme in die wachsgefüllten Mikrokapseln funktioniert nur dann, wenn nach einer Aufheiz- und damit Schmelzperiode wieder eine kalte Phase folgt. Das Wachs muss erst wieder erstarren, bevor es abermals als Wärmespeicher genutzt werden kann.

Wärme kann aber auch in sogenannten Sorptionsspeichern gebunkert werden. Sie wird hier nicht fühlbar zwischengelagert, sondern versteckt sich als chemische Bindungsenergie. Man spricht daher auch von thermochemischen Speichern. Als Speichermedien dienen Mineralien wie Silikagel oder Zeolithe - beides Stoffe mit einer großen inneren Oberfläche. Ihnen wird beim Beladen Wärme zugeführt und Wasser in Form von Dampf entzogen. Nach diesem „Trockenvorgang“, der Desorption, kann der Prozess umgekehrt werden. Bei der Zufuhr von Wasserdampf lagert sich dieser an dem porösen Speichermedium an (Adsorption), und gleichzeitig wird Wärme frei. Dabei kann das Be- und Entladen eines Sorptionsspeichers im Prinzip beliebig oft wiederholt werden. Die Wärmespeicherung erfolgt weitgehend verlustfrei, und da zudem die Mineralien im Vergleich zu einem konventionellen Heißwasserspeicher mit einer bis zu fünfmal höheren volumenbezogenen Wärmemenge beladen werden können, sind sie grundsätzlich für eine ganzjährige Versorgung mit Solarwärme geeignet.