Heizung/Energie | Wärmeverteilung und -übertragung | 03.11.2017

Salz- und Paraffinspeicher

Ein Durchbruch für die Wärmewende?

Die Wärmewende stockt. Dabei lassen sich schon heute erneuerbare Energien aus Solarthermie oder Biomasse problemlos in fossile Heizgeräte einbinden. Der Schlüssel dazu sind Pufferspeicher. Die werden immer effizienter: Durch neue Technologien, etwa mittels einer Salzlösung oder Paraffin, können sie ein Vielfaches der Wärmemenge speichern im Gegensatz zu den wassergefüllten Pendants. Doch wie sieht das in Theorie und Praxis genau aus?

  • Handwärmekissen dienen als technologisches und physikalisches Vorbild für die Salzspeicher. Quelle: Suricata / Wikimedia / Lizenz unter CC BY-SA 3.0

  • Testanlage des Salzspeichers Quelle: Rawema

  • Timo Leukefeld Quelle: Urbansky

Die effiziente Möglichkeit, mithilfe von Salzlösungen Wärme zu speichern, beruht auf einer Anomalie. Wird Wärme zugeführt, gehen die Salze in eine Schmelze über und geben später beim Abkühlen etwa ein Drittel dieser Energie wieder ab. Genutzt wird das bereits bei praktischen Handwärmekissen, wo dieser Prozess mit dem Knicken einer Metallplatte ausgelöst wird.
Wissenschaftler haben bis zu 50 verschiedene Salze ermittelt, die dafür in Frage kommen. Angewendet werden meist Nitratsalze. Unser herkömmliches Kochsalz, also Natriumchlorid, ist dafür übrigens ungeeignet, sicher zur Freude von SHK -Handwerkern, denen dieses Salz als Korrosionsmacher ein Gräuel ist. Dieses rein physikalische Prinzip wird schon lange in der Solarthermie genutzt, und zwar bei großen solarthermischen Kraftwerken. Hier können die extrem hohen Temperaturen von bis zu 600 °C dank der Zwischenspeicherung effizient genutzt werden. Auf diese Art erreicht man, bezogen auf Wärmemenge und Volumen des Mediums, die dreifache Speicherleistung, verglichen mit einem herkömmlichen Wasserspeicher.
Das Prinzip wird aber auch schon ganz konkret von mehreren Herstellern für den heimischen Wärmemarkt genutzt. Je nach Auslegung steht ein Temperaturniveau von 58 °C zur Verfügung. Das reicht allemal aus für die Warmwasserbereitung im Haushalt.
Statt eines großen Speichers kann man sich also einen kleineren zulegen und somit Platz gewinnen. Oder aber man bindet eine weitere Energiequelle, am besten Solarthermie, ein. Denn zwei Drittel der Energiemenge werden langfristig verlustfrei gespeichert, weil diese in der Salzschmelze gebunden ist. Deswegen eignet sich der Salzspeicher auch für längere Speicherperioden. Daran krankten bisherige Warmwasserspeicher, die Solarthermie nur für etwa 48 Stunden bei fast gleichbleibendem Temperaturniveau speichern konnten. Danach treten zu große Verluste auf.
Durch diese geringen Verluste eignen sich Salzspeicher auch für Gegenden, in denen eine weitgehend autarke Wärmeversorgung benötigt wird, weil es entweder keine kontinuierliche Wärmeversorgung gibt oder diese punktuell aufgebaut werden muss, etwa bei Expeditionen ins ewige Eis.

Erprobter Salzspeicher

Einer der Hersteller, die den Salzspeicher schon erprobt sowie europaweit und in den USA patentiert haben und ihn marktfertig für Endverbraucher bauen, ist Rawema aus dem sächsischen Bautzen. Dabei sind die einzelnen Speicherelemente modular aufgebaut. Eine intelligente Steuerung ermöglicht nach Bedarf das Be- und Entladen. Die theoretisch mögliche dreifach höhere Speicherleistung wird auch hier erreicht. Weitere Vorteile sieht das Unternehmen in der Aufteilung in einzelne Segmente. So kann eine Clusterung definierter Wärmemengen erreicht werden und damit – je nach Bedarf – das Aufschmelzen der Salzlösung für die Langzeitspeicherung.
Auch Rawema sieht die Anwendungen vor allem dort, wo Energieautarkie benötigt wird. „Das können Ferienwohnungen, Marinas, Sporteinrichtungen oder andere Freizeitanlagen mit hohem Warmwasserbedarf sein“, so Andreas Golbs, Geschäftsführer der Rawema Countertrade. Entwickelt wurden auch schon Sonderanwendungen für Regionen, in denen die Stromnetze und damit die Heizungen öfter ausfallen, so etwa in den USA bei maroden Netzen oder in Blizzard gefährdeten Gebieten. Vorstellbar seien ebenfalls Anwendungen beim Militär oder in der Entwicklungshilfe. Der Vorteil dabei ist auch die Kühlfähigkeit des Speichers. Golbs spricht von kompletten Klimatisierungslösungen, die dadurch angeboten werden können.

In Deutschland eignen sich besonders Hybridheizungen mit einer Solarthermiekomponente für die Salzspeicher. In Freiberg wurde dies bereits in einem Einfamilienhaus mit 140 m² in einer Simulation getestet. Der Bedarf liegt dort bei jährlich 50 kWh/m² sowie einem täglichen Warmwasserbedarf von 200 l. Installiert wurden 30 Salzspeicherelemente mit einem Gesamtgewicht von 6.000 kg. Die Kollektorfläche beträgt 50 m², das Haus hat einen KfW-70-Standard. Der Bedarf sowohl an Heizwärme als auch Warmwasser konnte so zu 97,5 % gedeckt werden. Nur an neun Tagen im Jahr war eine Zusatzheizung nötig.

Unterkühlte Schmelze

Hersteller und Heizkörperspezialist HM aus dem thüringischen Dingelstädt hat einen Latentwärmespeicher auf Basis der sogenannten unterkühlten Schmelze entwickelt. Dieses Verfahren wird derzeit ausschließlich von HM angeboten. Der Unterschied liegt darin, dass die aktive Latentspeicherung mittels eines Impulses gezielt abgerufen wird. Die so genannte Fullsize-Thermobatterie besteht aus mehreren identischen Edelstahlzylindern mit einem Durchmesser von etwa 50 cm und einer Höhe von 2 m. Als Speichermedium dient Natriumacetat-Trihydrat. Der ebenfalls modulare Aufbau erhöht die Flexibilität für verschiedenste Anwendungen. Zudem kann die Thermobatterie nach und nach erweitert werden, wenn etwa der Speicherbedarf in einem Objekt steigt.

Paraffinspeicher

Nicht nur Salz ist in der Lage mittels Phasenwechel Wärme länger und teilweise verlustfrei zu speichern. Auch Paraffin kann das – ein Stoff, den man eher mit Kerzenlicht verbindet. Auch hier wird der Phasenwechsel von fest zu flüssig und wieder zurück genutzt. In den Speichern befinden sich Kunststoffröhren, die mit Paraffin gefüllt sind. Innerhalb dieser Rohre verlaufen die Leitungen für Heizung und Warmwasser. Isoliert werden sie meist mit Kies. Die Materialien sind zwar denkbar günstig. Dennoch kostet ein Paraffinspeicher etwa viermal so viel wie ein herkömmlicher Wasserspeicher. Der spanische Hersteller Bunksolar, der auch in Deutschland fertigt und vertreibt, gibt die fünffache Speicherkapazität bei einem Drittel des Platzbedarfs gegenüber herkömmlichen Wasserspeichern an.
Der Speicherprozess läuft ähnlich ab wie bei den salzbasierten Technologien. Unter Wärmezufuhr schmilzt das Paraffin und nimmt bei gleichbleibender Temperatur sehr viel Wärme auf. Der größte Teil der Wärmemenge wird dabei während des Phasenwechsels bei etwa 57 °C gespeichert. Erst wenn das Paraffin komplett verflüssigt ist, steigt die Temperatur an, und zwar bis auf maximal 85 °C.
Die Wärmeabgabe erfolgt dann, wenn das Paraffin wieder fest wird, also wenn kaltes Wasser durch den Speicher geleitet und dadurch erwärmt wird. Der Vorteil bei dieser Lösung ist auch die Unkompliziertheit des Stoffes Paraffin. Er ist nicht wassergefährdend, dazu sehr lagerstabil, weil er praktisch nicht altert. Bei einem Bedarf an Warmwasser von etwa 50 °C spielt der Speicher seine größten Stärken aus. Bunksolar gibt an, dass so 80 % der Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung abgedeckt werden und die Einsparungen bei den Heizkosten bei etwa 30 % liegen können. Gleichzeitig steige die Deckungsrate von kleinen Solaranlagen von 28 auf 48 %.

Drei Fragen an Timo Leukefeld

Timo Leukefeld ist Professor an der TU Bergakademie Freiberg für energieautarke Gebäude und Experte für energetisches Wohnen in der Zukunft.

Wie schätzen Sie die Effizienz und die Marktfähigkeit von Salz-und Paraffinspeichern ein?

Leukefeld: Die theoretische Effizienz ist gut, in der Praxis haben viele Projekte große Probleme, was die Effizienz verschlechtert. Die Marktfähigkeit ist aus meiner Sicht noch nicht gegeben wegen eines schlechten Kosten-Nutzen-Verhältnisses.

Warum ist ein Marktdurchbruch bisher nicht erfolgt?

Leukefeld: Paraffinspeicher sind zur Zeit noch zu teuer und zu kompliziert, außerdem für Planer kaum zu simulieren und für Handwerker ganz fremd. Wasser wird mittelfristig den Markt noch dominieren. Langfristig ist alles offen.

Welche anderen alternativen Speichersysteme kommen für die Umsetzung der Wärmewende im heimischen Keller in Frage?

Leukefeld: Da sehe ich eher Wasserstoff, Power to Gas oder die chemischen Speicher als zukünftige direkte oder indirekte Speicher.

Autor: Frank Urbansky
Freier Journalist und Autor
Leipzig

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    Bildquelle: Wosilat Fotografie

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