Innovative Wärmespeicher-Lösungen als wichtige Bausteine für die Energiewende - Praxisbeispiele zu sensibler und latenter Wärmespeicherung

Neben dem intelligenten und möglichst viele Bereiche umfassenden Lastmanagement stellt die Energiespeicherung ein Schlüsselthema der Energiewende dar. Dabei sind Wärmespeicher ebenso zentral wie Stromspeicher: zum einen in zukünftig wesentlich stärker vernetzten Energieversorgungskonzepten und -systemen, in denen durch Wärmespeicher der Bedarf an Stromspeichern reduziert werden kann. Beispiele sind BHKWs, gekoppelt mit Wärmespeichern oder die Integration von Wärmepumpen in ein intelligentes Netz. Kleine bis mittlere Wärmespeicher im Bereich <100 kWh stellen heute eine weit über eine Größenordnung günstigere Speichertechnologie dar als Stromspeicher ¹).

1) Lithiumspeichersystem inkl. Batteriemanagementsystem und Installation, ohne MwSt., 30 kWh: ca. 2000 Euro/kWh; nutzbar durchschnittlich 23,4 kWh = >2600 Euro/kWh; Nutzungsdauer bei 365 Zyklen/a: 14,2 Jahre

Heizungspufferspeicher inkl. Heizkreisstation + Regelung, 1000 l = 23,2 kWh bei 20 K: ca. 2000 Euro = >85 Euro/kWh;Nutzungsdauer >20 Jahre = >Kosten Lithium- zu Pufferspeicher: (2600/14,2)/(85/20) = 43,5

Zum anderen ist der Wärmespeicher Kernelement fast jeder größeren nicht fossilen Wärmeerzeugungsanlage, sei sie auf Basis von Solarwärme, Biomasse, oder Wärmepumpentechnik. Wärmespeicher werden zur Entkopplung von Angebot und Nachfrage benötigt: bei fluktuierendem Angebot und eher konstanter Nachfrage (z.B. Solarwärme zum Heizen) oder konstantem bzw. begrenztem Angebot und fluktuierender Nachfrage (z.B. Wärmepumpe und hohe momentane Warmwasser-Zapfleistunge

Schlüsselmarkt: Sanierung des Gebäudebestands

Der Bereich, der in der Heizungsbranche als Schlüsselmarkt mit dem größten Potenzial angesehen wird, ist der Gebäudebestand: Er ist zahlenmäßig der mit Abstand größte Markt, dazu kommt der Sanierungsstau, und letztendlich entscheidet sich daran, wie gut und schnell die notwendigen Heizungs- und Gebäudesanierungen realisiert werden, das Gelingen der Energiewende. Sowohl die energetische Sanierung der Bauköper als auch der Ersatz veralteter Heiztechniken sind unabdingbare Maßnahmen.

Wird ein Gebäude wärmetechnisch saniert, so wird in der Regel auch eine moderne Heiztechnik installiert. Umgekehrt werden aber oftmals alte Heizkessel ersetzt, ohne dass gleichzeitig das Gebäude neu gedämmt wird. Diese Lösungen liegen oftmals weit hinter dem Verbesserungspotenzial zurück. Oder aber, die Erneuerung des Heizsystems wird verschleppt, weil sie mit einer Gesamtsanierung verbunden werden soll.

Ein Ansatz, den Sanierungsstau bei Wärmeerzeugern aufzulösen, sind ökonomisch und ökologisch überzeugende Lösungen, die zeitlich entkoppelt von der Gebäudesanierung durchgeführt werden können. Das heißt moderne, in das erneuerbare Energiesystem eingebundene Heiztechniken, die bereits in das energetisch unsanierte Gebäude eingebracht werden können, nach der drastischen Reduzierung des Energieverbrauchs des Gebäudes durch bessere Dämmung aber immer noch Sinn machen.

Innovative Energielösungen, wie im folgenden Abschnitt beschrieben, sind in bestehenden Mehrfamilienhäusern und gewerblichen Anwendungen einfacher bzw. wirtschaftlicher umzusetzen als in Ein- und Zweifamilienhäusern: hier ist das Verhältnis vom Aufwand zum Nutzen viel besser: der Aufwand für individuelle Planungsmaßnahmen und Systemintegration wie Einbindung in ein Smart Grid oder ein Wärmenetz steht einer größeren Energieeinsparung gegenüber. Auch für Solarwärmeanlagen stellt sich eine attraktivere Wirtschaftlichkeit dar als bei Ein- und Zweifamilienhäusern.

Auf den Bereich der Mehrfamilienhäuser (drei und mehr Wohneinheiten) entfallen 53% aller in Deutschland vorhandenen Wohneinheiten [1] – auf Einfamilienhäuser nur 29%.
Aus den genannten Gründen stellen Bestands-Mehrfamiliengebäude einen besonders wichtigen Markt für innovative Heiztechniklösungen dar.

Gekoppeltes Wärme- und Strommanagement und thermische Speicher

Ein Beispiel für eine Heizungssanierungsmaßnahme, die bereits vor einer Gebäudesanierung sinnvoll ist, ist die Installation eines BHKWs mit Wärmespeicher, integriert in ein intelligentes Lastmanagementsystem. Neben der Eigenstromversorgung sind solche Systeme für Energieerzeuger zukünftig sehr interessant, um bei Bedarf kurzfristig Strombedarfsspitzen im Netz abzudecken. Insofern wird das BHKW nicht mehr, wie früher, auf Grundlast ausgelegt, mit der das System möglichst kontinuierlich läuft und die Wärme immer abgenommen wird, sondern auf Spitzenlast in Bezug auf die Stromerzeugungserfordernisse. Die Wärme muss dann in genügend großen Speichern zwischengespeichert werden. Somit ist die Dimensionierung zumindest teilweise entkoppelt vom Wärmebedarf des Gebäudes.

Aufgrund der Betriebsführung zur Abdeckung von Strombedarfsspitzen wird die Kombination mit Solarwärme als weiterer Wärmeerzeuger auch wirtschaftlich sinnvoll, wie es das dänische Beispiel zeigt: Solarwärme im großen Stil ist dort ein wichtiger Baustein eines zunehmend regenerativen Gesamtsystems. Sehr große Solaranlagen mit Feldgrößen von 15000 m² und mehr sind im Wärmenetz mit großen thermischen Speichern, Biomasse-BHKWs und Wärmepumpen integriert, und Überschussenergie von Windrädern wird in Form von Wärme in das Netz eingespeist [2].

Auch im kleineren Maßstab führt die Kopplung von Wärme- und Stromversorgungstechniken zu sehr effizienten und interessanten Systemen. Beispielsweise können durch die Integration von Solarwärme und Wärmepumpentechnik hocheffiziente Vollversorgungssysteme geschaffen werden (siehe Abschnitt „Anwendungsbeispiel Latentspeicher“), die – bei zusätzlicher Integration in ein EE-Stromnetz – CO2-neutral sind, und zwar nicht nur in der Jahresbilanz. In diesem Fall kann das Heizsystem über die Wärmeversorgung hinaus, auch Netzdienstleistungen (negative Regelleistung) erbringen.

Anwendungsbeispiel Wärmespeicher für Mehrfamilienhäuser

Für das zentrale Marktsegment von Mehrfamilienhäusern im Gebäudebestand fehlt derzeit eine geeignete Speichertechnik: das sind Speicher, die einen flexiblen Zugang in bestehende Räumlichkeiten ermöglichen sowie eine gute Platzausnutzung und eine hohe Effizienz (geringe Wärmeverluste) bei geringen Kosten bieten. Stand der Technik sind hierfür Speicherkaskaden, die weder montagefreundlich noch effizient noch platzsparend sind.

Die Solarbranche hat im Fahrplan Solarwärme des BSW [4] aufgezeigt, dass ein wesentlicher Anteil in der Kostenstruktur von Solarwärmeanlagen durch die Montagekosten gegeben ist, und dass hier ein Schlüssel zur Kostensenkung liegt. Ein Speicherkonzept für eine breite Erschließung des Gebäudebestands darf daher keine aufwendige Spezialistenlösung sein, sondern muss sich durch eine sehr einfache standardisierte Montage und eine hohe Akzeptanz durch Heizungsbauer auszeichnen.
Ein solches innovatives Konzept wurde von Consolar und dem ITW entwickelt: ein Speichersystem, das aufgrund seiner Modularität den Zugang in Bestandsgebäude auch für Speicherkapazitäten bis über 10 m³ ermöglicht. Die Speicher sind druckbelastbar, sodass sie vom Installateur in gewohnter Weise angeschlossen werden können. Durch die Dicht-an-Dicht-Montage und die integrierte Verrohrung werden eine gute Platzausnutzung und minimierte Wärmeverluste erreicht.

Das Konzept des modularen Speichers wird nun im Rahmen des vom BMWi geförderten F&E-Projekts „UniSto“ von Consolar und dem ITW für einen rationellen seriengerechten Produktionsprozess und eine möglichst breite Einsetzbarkeit entwickelt [5, 6].

 Das Speicherkonzept ist für vielfältige Anwendungen interessant:

• Solarwärme,
• Biomasse-Kessel,
• Blockheizkraftwerke,
• Energieversorger (Lastmanagement),
• Nahwärme,
• Wärmepumpen (Warmwasserversorgung für MFH).

Um genügend große Stückzahlen für das Serienprodukt sicherzustellen, wurde von Consolar ein Innovations- und Vermarktungskonsortium gegründet. Durch das Konsortium wurde sichergestellt, dass bei der Serienentwicklung die Anforderungen der Vermarktungspartner aus unterschiedlichen Bereichen berücksichtigt wurden, als Voraussetzung für eine breite und rasche Marktdurchdringung des fertigen Produkts.

Die Mitglieder des Konsortiums beteiligen sich durch einen Mitgliedsbeitrag an den Gesamtinvestitionen, der Beitrag ist aufgrund der geförderten Entwicklungsarbeiten und der Aufteilung auf die Gruppenmitglieder jedoch vergleichsweise gering.

Aktuell gibt es folgende UniSto-Konsortiumsmitglieder die ihre jeweiligen Anforderungen und Erfahrungen in die Produktspezifikation eingebracht haben und die Entwicklungsarbeit kritisch begleiten:

• Ein führendes Unternehmen im Bereich Solarwärme, Großanlagen,
• HDG Bavaria GmbH: Heizsysteme für Holz,
• Energiedienst AG: Energieversorger.

Mit weiteren Interessenten aus anderen Branchen laufen z.Zt. noch Gespräche, der Beitritt ist noch möglich.

Im Herbst 2014 soll in einem Projekt mit der Energiedienst AG eine erste Demonstrationsanlage in einem Mehrfamilienhaus mit 74 Wohneinheitenrealisiert werden. Die Wärmeerzeugung erfolgt hier gemeinsam mit der Stromerzeugung mit einem BHKW im Gebäude. Dabei wird die dezentrale Stromerzeugung vorrangig auf die Bedürfnisse der Bewohner ausgerichtet. Das BHKW wird mit einem Speicher, bestehend aus drei Modulen à 1300 l, gepuffert.

Anwendungsbeispiel Latentspeicher

Die Anwendung eines Latentspeichers wird im Folgenden anhand der Solarheizung „Solaera“ aufgezeigt. Sie ermöglicht die vollständige Wärmeversorgung eines Hauses durch den Einsatz von Hybrid-Sonnenkollektoren, die die einzige Wärmequelle für das System darstellen, und eine in das System integrierte Kombination aus Wärmepumpe und Latentspeicher. Hiermit kann eine Systemjahresarbeitszahl von 5,6 realisiert werden [7], ohne Wärmepumpen-Erdsonden oder Erdreichwärmetauscher, die im Gebäudebestand nur eingeschränkt realisierbar sind. Im Gegensatz zu üblichen thermischen Solaranlagen zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung stellt „Solaera“ keine Ergänzung mehr zu einer konventionellen Heizung dar, sondern ist selbst das vollständige Heizsystem [8]. Trotz hochinnovativer Technologie ist das System nach außen genauso kompakt und einfach anzuschließen und zu betreiben wie ein konventioneller Wärmeerzeuger: Am Energiezentrum, in dem die komplette Technik einschließlich Latentspeicher untergebracht ist, werden Heizkreisvor- und rücklauf sowie Solarvor- und rücklauf angeschlossen. Hinzu kommen fünf kurze Verbindungsstücke zwischen Energiezentrum und Solar-Kombispeicher.

Die Solarheizung „Solaera“ ist das erste und bislang einzige fortschrittliche Solar-Wärmepumpen-System (d.h. serielle Verschaltung von Kollektoren und Wärmepumpe), für das der Nachweis der Leistungsfähigkeit und Jahreserträge auf der Basis von Komponententests durch Prüfinstitute (ITW und ISE) und unabhängigen Feldtests durchgeführt wurde [7, 9, 10]. Die solare Kompaktheizung hat sich mit der über achtjährigen Betriebserfahrung in vielfältigen Anwendungen in der Praxis voll bewährt.

Da die Hybridkollektoren sowohl Solarstrahlung nutzen als auch – dank einem eingebauten Gebläse und Luft-Sole-Wärmetauscher unter dem Absorber – der Umgebungsluft Wärme entziehen können, liefern sie an den meisten Tagen Energie – entweder direkt nutzbar oder auf einem niedrigen Temperaturniveau, das dann über die Wärmepumpe angehoben wird. Der in dem System integrierte Latentspeicher arbeitet mit Wasser/Eis als Medium. Er dient der ebenfalls integrierten Wärmepumpe als Wärmequelle, wenn die Hybridkollektoren keine oder zu wenig Energie liefern, d.h., vor allem in kalten Nächten. Der Eisspeicher ist so ausgelegt, dass während einer ganzen Nacht (bei Nachtabsenkung) die Heizleistung über den Eisspeicher erbracht werden kann.

Der Eisspeicher, für den Patentschutz vorliegt, besteht aus einem Kunststoffbehälter mit 320 l Inhalt und einem speziellen Wärmetauscher, ebenfalls aus Kunststoff. Behälter und Wärmetauscher sind konisch aufgebaut, sodass beim Ausbilden der Eisschicht um die Wärmetauscherfläche das verbleibende Wasser nach oben aufsteigen kann und somit keine Sprengwirkung entsteht.
Das Wasser des Eisspeichers kann vollständig gefroren werden, bei weiterem Wärmeentzug wird das Eis weiter abgekühlt, sodass die Möglichkeiten zur Wärmegewinnung aus Strahlung oder Luft immer weiter zunehmen.

Der Wärmetauscher des Wasser-Eisspeichers hat eine sehr große Oberfläche, die so im Behälter verteilt ist, dass die Eisschichten, durch die Wärme geleitet werden muss, nur max. 10 mm dick sind. Dies führt sowohl im festen Zustand als auch im flüssigen (stehendes Wasser hat eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit als Eis) zu einem sehr geringen Temperaturabfall: Die Temperatur des Wärmeträgers (Verdampfer-Eintrittstemperatur) sinkt, solange der Speicher nicht voll durchgefroren ist, nicht unter -0,5°C [11]. D.h. das Delta-T zwischen Eisspeicher und Wärmeträger beträgt nur 0,5 K. Das geringe Delta-T führt dazu, dass die Verdampfer­eintrittstemperatur und damit die Leis­tungszahl der Wärmepumpe vergleichbar sind mit einer Erdsonden-Wärmepumpe. Gleichzeitig wird auch der Ertrag der Solarkollektoren optimiert.

Der Eisspeicher hat nur einen Wärmetauscher, der zur Be- und Entladung genutzt wird. Er ist hydraulisch so eingebunden, dass der Wärmeträger den Eisspeicher immer durchströmt, bevor er in den Verdampfer der Wärmepumpe eintritt. Auf diese Weise muss nicht die gesamte in den Hybridkollektoren aufgenommene Leistung zuerst mit einem Temperaturabfall in den Eisspeicher übertragen werden und anschließend mit einem weiteren Abfall entzogen werden, sondern es wird – je nach Temperaturverhältnissen – nur ein Teil der in den Hybridkollektoren aufgenommenen Leistung in den Speicher abgegeben, oder Leistung von dem Speicher aufgenommen. Entsprechend sind durch die patentierte Systeminte-gration die Temperaturdifferenzen bei der Wärmeübertragung nochmals reduziert.

Das Verhältnis von Wärmeträger zu Wasser (= Speichermedium) ist sehr klein im Vergleich zu Rohrbündeltauschern, wie sie in der Kältetechnik angewendet werden: Der Wärmetauscherinhalt beträgt nur 3,5% des gesamten Eisspeichervolumens.

Im Rahmen einer Simulationsstudie, die in Zusammenarbeit mit ITW Stuttgart durchgeführt wurde, wurden sowohl die Kapazität als auch das Temperaturniveau des Latentspeichers variiert [12]. Das Simulationsprogramm (TRNSYS), mit dem die Rechnungen durchgeführt wurden, wurde im Rahmen eines Feldtests und einer Doktorarbeit validiert [12].

Die Simulationsrechnungen ergaben, dass ein doppelt so großer Eisspeicher in diesem System keine signifikante Verbesserung der Effizienz, d.h. der jährlichen Energieeinsparung, ergibt. Dies ist damit zu erklären, dass die Hybridkollektoren des Systems an den meisten Tagen im Jahr Wärme liefern können. Auch die Erhöhung der Temperatur des Phasenwechsels bei sonst gleichen physikalischen Eigenschaften (real nicht möglich) brachte keine signifikante Verbesserung. Der Grund hierfür ist, dass bei höheren Temperaturen zwar die Leistungsziffer der Wärmepumpe steigt, aber weniger Energie insbesondere von der Luft aufgenommen werden kann. Eine Phasenwechseltemperatur von 15°C würde beispielsweise bedeuten, dass in erster Linie nur Strahlungsenergie gespeichert werden kann, da nur bei Außentemperaturen >15°C auch Luftwärme in den Speicher geladen werden kann und dann aber gleichzeitig der Heizbedarf nahezu null ist.

In einem aktuellen vom BMWi geförderten F&E-Projekt wird das „Solaera“-System in der Kombination mit Stromversorgung aus erneuerbaren Quellen wie insbesondere PV weiter entwickelt mit der Zielsetzung, sowohl die Wärme- als auch Stromversorgung eines Haushalts weitgehend über Erneuerbare Energien zu ermöglichen.

Fazit

Wärmespeicher, integriert in innovativen Energiesystemen mit EE, stellen einen wesentlichen Baustein der Energiewende dar. Sie ermöglichen neue Lösungen beim Umbau des Wärmebereichs, auf den der größte Bruttoendenergieverbrauch in Deutschland fällt. Sie können aber auch helfen, ein Stromnetz mit zunehmend wachsendem Anteil an fluktuierenden Erneuerbaren Energien zu ermöglichen, wobei dieser Ansatz des gekoppelten und intelligenten Lastmanagements im Vergleich zu Stromspeicherung und Stromtrassen weitaus günstiger ist und daher maximal genutzt werden sollte.

Autor: Dr.-Ing. U. Leibfried ist bei Consolar Solare Energiesysteme in Lörrach beschäftigt.

Literatur:

1. „GroSol“ Studie zu großen solarthermischen Anlagen, Bundesverband Solarwirtschaft e.V. (BSW), Stralauer Platz 34, 10243 Berlin, September 2007
2. Schmidt, T., Mangold, D.: Solar unterstützte Kraft-Wärme-Kopplung mit saisonalem Wärmespeicher – das dänische Pilotprojekt „SUNSTORE 4“, Tagungsband zum 23. Symposium Therm. Solarenergie, OTTI, Kloster Banz, Bad Staffelstein, 24. - 26.4.2013
3. Leibfried, U.: Integrierte Systemlösungen für Bestand und Neubau als Weg zum Erreichen der Klimaziele, Tagungsband zum 21. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI, Kloster Banz, Bad Staffelstein, 11. – 13.5.2011
4. Technomar GmbH, ITW Universität Stuttgart, co2online gGmbH,: Fahrplan Solarwärme, Abschlussbericht, Bundesverband Solarwirtschaft, Berlin, Juni 2012
5. Leibfried, U.: Über den Tellerrand schauen und Kräfte bündeln: UniSto-Konsortium: Ein neuer strategischer Ansatz, Tagungsband zum 24. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI, Kloster Banz, Bad Staffelstein, Mai 2014
6. Ullman, J., Fischer, S., Frey, P., Drück, H., Leibfried, U., Sütterlin, M.: Entwicklung eines universellen modularen Wärmespeichers und dessen Erprobung in Mehrfamilienhäusern – Projektvorstellung „UniSto“, Tagungsband zum 24. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI, Kloster Banz, Bad Staffelstein, Mai 2014
7. Die Energieeffizienz der Solaren-Wa?rmepum­pe Nr. 2401 in einem Einfamilenhaus in Gottenheim/ Kaiserstuhl (Südbaden), Ein Bericht der Lokalen Agenda 21 – Gruppe Energie der Stadt Lahr (Schwarzwald) im Rahmen der Phase 2 „Innovative Wärmepumpensysteme“ des „Feldtests Wärme­pumpen“, Juli 2014, http://www.agenda-energie-lahr.de/Ph2_SolarWP-GOT.html
8. Leibfried, U.: Integrierte Systemlösungen für Bestand und Neubau als Weg zum Erreichen der Klimaziele, Tagungsband 21. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI-Technologie-Kolleg, Regensburg, Mai 2011
9. Leibfried, U.; Günzl, A.; Sitzmann, B.: SOLAERA: Solar-Wärmepumpensystem im Feldtest, Tagungsband 18. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI-Technologie-Kolleg, Regensburg, Mai 2008
10. Simulationsstudie Solar-Wärmepumpensystem zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung, Prüfbericht-Nr.: 07SIM109/1, ITW, Stuttgart, 2008
11. ITW, Universität Stuttgart, Prüfbericht (Kurzfassung) Speicher für Niedertemperaturwärme, Prüfberichts-Nr. 07STO144K, Stuttgart, September 2011
12. Faßnacht, T.: Moderne Regelungsansätze für Solarsysteme mit integrierter Wärmepumpe zur Gebäudeheizung. Zur Prüfung eingereichte Dissertation am 21.01.2014, Universität Stuttgart, 2014.