Langzeit-Solarspeicher für Einfamilienhäuser

16.05.2016

Saisonale Wärmespeicher gibt es bisher fast nur für große Verbraucher, da kleine Warmwasserspeicher zu schnell die Wärme an ihre Umgebung abgeben. Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben nun ein neues solares Heizsystem entwickelt, mit dem die Solarwärme auch kleiner Gebäude aus dem Sommer für den Winter gespeichert werden kann.

Das Heizungskonzept, das am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) entwickelt wurde, basiert auf einer Solarthermieanlage in Verbindung mit einem thermochemischen Sorptionswärmespeicher zur saisonalen Wärmespeicherung und einer Wärmerückgewinnung aus der Abluft des Wohnraums. Das Forschungsgebäude hat eine beschauliche Wohnfläche von knapp 43 m² und verfügt über Vakuumröhren-Luftkollektoren mit insgesamt 26 m² Kollektorfläche und einen 4,3 m³ großen Sorptionswärmespeicher.

Nach Berechnungen der Wissenschaftler ist  die Energiedichte des neuen Speichers im Vergleich zu normalen Warmwasserspeichern mehr als ist doppelt so hoch. Während Warmwasserspeicher direkt nach der Beladung eine Energiedichte von etwa 70 kWh/m³ haben (die durch Wärmeverluste stetig sinkt), kommt der verlustfreie Zeolith-Speicher auf eine Energiedichte von 163 kWh/m³. Die gesamte Speicherkapazität dürfte damit bei 700 kWh liegen. Bis Ende Februar 2016 wurden dem Speicher ungefähr 573 kWh Wärme entnommen.

Adsorptionswärme für die Heizung

Das Heizsystem nutzt die Eigenschaften der mikroporösen Stoffgruppe der Zeolithe. Zeolith befindet sich als Granulat im Speicher. Während der Heizperiode adsorbiert es die Feuchtigkeit aus der Raumabluft (Wassermoleküle lagern sich am Zeolith-Granulat an) und produziert dadurch Wärme. Diese Wärme kann dann wiederum zur Beheizung des Gebäudes verwendet werden.

Beladen wird der Speicher im Sommer, indem die erhitzte Luft aus den Solarkollektoren durch den Speicher geführt wird und das Wasser sich wieder vom Zeolith löst, es also erneut zur Adsorption/Wärmeproduktion zur Verfügung steht. Wärmeverluste entstehen laut den Forschern nur beim Be- und Entladen des Zeolithspeichers. Da der Speicher in 24 flache Segmente aufgeteilt ist, die jeweils paarweise durchströmt werden können, lässt er sich flexibel be- und entladen. Die Beladung des Speichers findet bei einer für Solarthermieanlagen hohen Temperatur von 180 °C statt. Um diese zu erreichen, setzen die Forscher des ITW auf konzentrierende Vakuumkollektoren.

Der Speicher wird bei einer Temperatur von 180 Grad Celsius beladen. Um diese für Solarsysteme hohen Temperaturen zu erreichen, werden konzentrierende Vakuumluftkollektoren eingesetzt.

Langfristige Forschungsarbeit

Das Projekt „SolSpaces“ wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) und startete bereits vor mehreren Jahren. Ende 2013 wurde das Forschungshaus für energieeffizientes Wohnen auf dem Stuttgarter Campus mit konventioneller Heiztechnik aus und die Projektbeteiligten maßen ein Jahr lang den Heizwärmebedarf. Ohne Wärmerückgewinnung kamen sie auf einen Heizwärmebedarf von rund 3.000 kWh pro Jahr – mit Wärmerückgewinnung auf etwa 2.000 kWh. Der recht hohe Heizbedarf liegt allerdings auch daran, dass das Containergebäude nicht allzu groß ist. „Das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen des Forschungsgebäudes ist relativ groß – das führt zu einem vergleichsweise hohen spezifischen Wärmebedarf pro Quadratmeter“, erklärt Henner Kerskes, Experte für thermochemische Wärmespeicherung und Leiter des SolSpaces-Projekts. Da der absolute Wärmebedarf größerer energieeffizienter Gebäude in einer ähnlichen Größenordnung liege, könne man das Heizkonzept auch auf größere Gebäude übertragen.

Erst nach einem Jahr der Beobachtung entwickelten die Forscher des ITW das solare Heizsystem.  Eine  genaue Analyse und Bewertung des Heizbedarfs und der Kapazität des Speichers wird am Ende der Heizperiode 2015/2016 erfolgen, wenn alle Messdaten der Heizperiode vorliegen.

Tanja Peschel