Wärmespeicher für mehr Effizienz

Lösungen zur Wärmewende

Die Energiewende stockt vor allem im Wärmebereich. Dabei stellt sich die Frage, wie Wärme gewandelt, gespeichert und geleitet werden soll. Das ist immer mit entsprechenden Verlusten verbunden. Diese können aber minimiert werden. Pufferspeicher, die Heizlasten zumindest tageweise verschieben können, sind dabei nicht wegzudenken. Neue Materialien und Technologien sollen sie noch effizienter machen.

Als Speichermedium für Wärme kommen auch Gesteine wie Zeolith oder Silicagel infrage. Diese sind stark porös, haben dadurch eine große innere Oberfläche von bis zu 600 m² je Gramm bei Silicagelen und 1.000 m² je Gramm bei Zeolith. Sie sind in der Lage, Wasserdampf an ihrer Oberfläche anzulagern, die sogenannte Adsorption – diese Arten von Speichern nennt man daher auch Adsorptionsspeicher. Durch diese Eigenschaft können sie, im Gegensatz zu wasserbasierten Pufferspeichern, Wärmespitzen jahreszeitlich verschieben: Im Sommer kann die hohe Außentemperatur zur Trocknung des Speichers genutzt werden, während die dafür verwendete Wärme im Winter bei der Befeuchtung Schritt für Schritt wieder abgegeben wird.

Ein weiterer Vorteil ist die hohe Speicherdichte, die mit bis zu 300 kWh/m³ das Fünffache derer von Wasser-Pufferspeichern betragen kann. Und die Speicherung erfolgt komplett verlustfrei. Die Arbeitstemperaturen liegen für Silikagel zwischen 40 und 100 °C, bei Zeolithen zwischen 130 und 300 °C. Silicagele sind deswegen energieeffizienter. Allerdings sind beide Varianten noch deutlich teurer als herkömmliche Wärmespeicher. Daher haben sie sich am Markt noch nicht in breiter Basis durchgesetzt. Derzeit läuft ein Projekt am Fraunhofer IGB, bei dem ein 750 l fassender Zeolithspeicher, eine marktübliche Größe auch bei Pufferspeichern, mehrere tausend Mal ohne jegliche Verschleißerscheinung gefahren wurde.

Andere Entnahmearten

Neben veränderten Speichermedien kann auch die Art der Warmwasserentnahme zu höherer Effizienz führen. Ein Beispiel dafür wurde von einem Studenten der FH Aachen entwickelt. „Die maximale Temperaturspreizung bei minimaler Temperatur ist der Schlüssel. Die Entnahmevorrichtung befindet sich im Pufferspeicher der Heizungsanlage und steuert die Abgabe des Heizwassers an das übergeordnete System. Sie gibt immer punktgenau die geforderte Temperatur aus dem Speicherbehälter an das übergeordnete System ab. So wird die gespeicherte Energie optimal ausgenutzt“, erläutert Jonas Scheumann seine Konstruktion.

Warmwasser wird temperaturabhängig in Pufferspeichern geschichtet. Die Temperaturverteilung im Speicherbehälter kann 20 bis 90 °C betragen. Eine Fußbodenheizung benötigt lediglich 30 °C warmes Fluid. Sowohl das warme als auch das kalte Wasser im Speicher sind ungeeignet. Darum werden im klassischen System der warme und der kalte Rücklauf gemischt. Das Zimmer wird warm.

Wenn man ins Innere des Speichers blickt, wird man feststellen, dass die Spreizung zwischen heißem und kaltem Medium abnimmt. Das Ergebnis ist ein lauwarmer Speicher. Das System von Scheumann nimmt die gewünschte Temperatur mit einer mechanischen Abnahmevorrichtung direkt im Speicher auf und leitet das Fluid aus. Der Speicher wird kontinuierlich entladen, ohne das für die Dusche benötigte heiße Wasser anzutasten. Bisherige Pufferspeicher machen dies mit zwei oder mehreren an die Warmwasserleitung angebundenen Öffnungen auf den jeweiligen Temperaturniveaus.

Die Folge dieser neuen Lösung sind größere Temperaturunterschiede im Speicher, so dass der Speicher nicht mehr so oft nachgeladen werden muss. Dank kühlerer Medientemperatur können die vorgeschalteten Wärmequellen effizienter betrieben werden. Auch die Heizaggregate müssen seltener in Betrieb genommen werden. Das ermöglicht auch einen effizienteren Einsatz von Hybridkomponenten wie Solarthermie oder Wärmepumpe.

Pufferspeicher als Voraussetzung

Warum die Effizienz dieser Speicher so wichtig ist, erklärt sich aus einer Notwendigkeit der Wärmewende. Soll die Wärmeversorgung weitgehend dekarbonisiert sein, geht dies nur über die langsam steigende und schließlich komplette Einbindung erneuerbarer Energien in die Warmwasser- und Heizkreisläufe. Soll Solarthermie eingebunden werden, ist auf einen Pufferspeicher sowieso nicht zu verzichten. Berechnen lässt sich die Größe des Pufferspeichers in diesem Falle recht einfach: Je Person werden bei einer reinen Unterstützung der Trinkwassererwärmung 1 bis 1,3 m² Kollektorfläche und für diese wiederum 60 bis 80 l Pufferspeicher veranschlagt. Soll die Heizung mit unterstützt werden, benötigt man etwa 2 bis 3 m² Kollektorfläche und für den Pufferspeicher sind 50 l je Person und nochmals 50 l je m² Kollektorfläche. Im Zweifelsfall kann der Speicher sogar noch etwas größer ausgelegt werden, damit er auch in sonnigen Sommern, wie sie ja in unseren Breiten immer üblicher werden, den maximalen Ertrag einer Solarthermieanlage aufnehmen kann. Das gleiche gilt für Hybridheizungen. Soll etwa der Kaminofen die Heizung unterstützen, geht dies ebenfalls nur über einen Pufferspeicher.

Pufferspeicher funktionieren nach dem Schichtprinzip. Heißes Wasser steigt auf und wird dort entnommen sowie dem Heizungskreislauf zugeführt. Warmes Wasser befindet sich in der Mitte und kann dort zu Waschzwecken abgezapft werden. Das Ausnutzen dieser physikalischen Gesetzmäßigkeit sorgt dafür, dass immer schnell die gerade benötigte Temperatur zur Verfügung steht.

Doch gerade diese Effizienz, also das gleichzeitige Aufbewahren von Heiz- und Trinkwasser, macht auch die Planung zu einer gewissen Herausforderung. Denn die Größe hängt immer vom Verbrauch ab. Was logisch klingt, ist in der Praxis jedoch schwer umzusetzen. Denn es müssen zum einen der Verbrauch an Warmwasser und zum anderen der an Heizwasser getrennt betrachtet werden. In einem Einfamilienhaus kann man dies, wie oben beschrieben, noch einfach bewältigen, da sich hier beide Größen je nach Anzahl der darin wohnenden Personen eng korrelierend verhalten.

Anders sieht dies jedoch bei öffentlichen Gebäuden aus, wo der Heizbedarf deutlich größer als der Warmwasserbedarf ist. Bei Sportstätten hingegen kann es wieder ausgeglichener sein, da hier der Anteil des Warmwassers etwa fürs Duschen sehr hoch sein kann – ähnlich ist es auch in einigen Gewerbebetrieben. Doch dieser Warmwasserbedarf tritt meist nur punktuell auf. In Gewerbebauten könnte dies nach Schichtschluss sein, in Sportstätten etwa nur bei Veranstaltungen am Wochenende.

Häufiger Fehler: Platz!

Zum Schluss noch zu einem Planungsfehler, der zwar exotisch klingt, in der Praxis aber gar nicht so selten auftritt, und zwar insbesondere bei Bestandssanierungen. Der Speicher wurde zu groß geplant und passt weder durch Fenster noch Türen. Auch die Höhe wird häufig nicht beachtet. Denn beim Aufstellen braucht man ein Kippmaß, das über das eigentliche Maß des Pufferspeichers hinausgeht. Auch die Dämmschicht, mit der moderne Pufferspeicher heutzutage glänzen, sollte mit beachtet werden.

Förderung

Das BAFA fördert im Programm Heizungsoptimierung den Einbau von Pufferspeichern. Allerdings ist dies nur möglich beim Einbinden von erneuerbaren Energien. Mehr unter www.bafa.de

Die KfW fördert im Programm Erneuerbare Energien „Premium“ Pufferspeicher ab einem Volumen von 10.000 Litern, wenn sie überwiegend aus erneuerbaren Energien gespeist werden. Bei einer Kreditaufnahme wird ein Tilgungszuschuss von 250 Euro je 1.000 l Speichervolumen, jedoch maximal 30 % der gesamten Nettoinvestitionskosten, gewährt. Mehr unter www.kfw.de.

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