Wenn an den langen Tagen im Sommerhalbjahr die Sonne wieder einmal vom frühen Morgen bis zum späten Abend von einem wolkenlosen Himmel knallt, bekommt so mancher Besitzer von Solarthermieanlagen nach einiger Zeit Probleme: Die Sonnenkollektoren sammeln viel mehr Energie ein, als für die Warmwasserbereitung gebraucht wird. Da Raumheizungen im Sommer meist Ruhepause haben und andere Abnehmer in privaten Haushalten Mangelware sind, muss der Überschuss irgendwie weg, bevor die Anlage überhitzt. Notfalls fließt die eingesammelte Energie in die Umwelt und heizt die Außenluft. Sinnvoller wäre es natürlich, die nicht benötigte Wärme für den Winter aufzuheben. In dieser Zeit liefern die Kollektoren erheblich weniger Energie, weil die Sonne deutlich kürzer scheint und dabei auch noch tief am Himmel steht.

Technologien für solche Speicher kennt die Menschheit schon lange. Im einfachsten Fall heizte das Lagerfeuer große Steine auf, an denen die schlafenden Steinzeitmenschen sich später die Füße wärmten. Ganz ähnlich funktioniert die Wärmflasche aus Kupfer, in der Wasser schwappt, das am Abend auf dem Holzofen aufgewärmt wird, um in der Nacht das Bett samt dem darin Liegenden zu wärmen. »Sensible Wärmespeicher« nennen Naturwissenschaftler dieses Prinzip, weil die Schläfer die Wärme im Stein oder am Kupfer spüren können. Am Morgen halten die Körper dann aber lieber Abstand zu Stein oder Wärmflasche, weil diese inzwischen kräftig abgekühlt sind. »Solche sensiblen Speicher haben leider immer Verluste«, erklärt Robert Weber vom Forschungsinstitut Empa des Eidgenössisch-Technischen Hochschulbereichs im schweizerischen Dübendorf. Diese Verluste beobachtet ein Hausbesitzer im eigenen Keller auch am Pufferspeichertank. Dort lagert die von den Sonnenkollektoren oder von der Erdwärme gelieferte Energie für den späteren Gebrauch. Um die Sommerwärme bis zum Winter zu speichern, eignen sich solche sensiblen Speicher nur bedingt.

»Obendrein benötigt ein solcher Speicher ziemlich viel Platz«, nennt Robert Weber einen weiteren Nachteil des Systems. Um für ein Passivhaus für eine Familie 90 Prozent der Wärmeenergie im Jahresdurchschnitt über die Kraft der Sonne zu decken, braucht man immerhin 15 gut isolierte Kubikmeter Wasser. Das entspricht mehr als 100 Badewannenfüllungen oder einem einfamilienhaushohen Zylinder, der inklusive einer 25 Zentimeter dicken Isolierung mehr als zwei Meter Durchmesser hat. Entsprechend selten werden solche Riesenspeicher installiert.

Fast die Hälfte der Primärenergie geht in die Wärmeversorgung

Mit gutem Grund sucht die Europäische Union im Forschungsprojekt COMTES daher bessere Alternativen. Schließlich beansprucht die Wärmeversorgung 49 Prozent der Primärenergie in der EU. Zum Vergleich: Verkehr und Transport brauchen 31 Prozent, elektrischer Strom jenseits der Wärme 20 Prozent. Fast überall wiederum könnte die Solarthermie den Wärmebedarf vollständig abdecken. Aber nur, wenn es gute Speicher gibt, die überschüssige Wärme des Sommers für den Winter lagern. Genau solche Speicher, die weniger Platz als Wasser beanspruchen, hat COMTES für drei sehr unterschiedliche Methoden unter die Lupe genommen.

Eine dieser Methoden gehört für Outdoorfans längst zum Alltag. In kühleren Zeiten stecken sie sich gern ein Wärmekissen in die Tasche, an dem sie draußen ihre Hände wärmen können, ohne ein Feuer anzuzünden. Diese Kissen funktionieren darüber, dass eine Flüssigkeit fest wird – dabei wird eine erhebliche Menge Energie frei. Wird flüssiges Wasser bei null Grad zu Eis, liefert dieser Vorgang ungefähr so viel Wärme, wie für das Erhitzen der gleichen Menge Wasser von null auf 80 Grad benötigt wird. In jedem Gramm Wasser wird also sehr viel Energie gespeichert, die beim Verfestigen wieder frei wird. Solange das Material flüssig bleibt, spürt man keine Wärme. Die Energie bleibt verborgen, Naturwissenschaftler sprechen von einem »latenten Speicher«.

Statt Wasser verwenden die Hersteller ein Salz der Essigsäure, das Natriumazetat. In fester Form kommen auf jedes Molekül Salz drei Wassermoleküle. Bei 58 Grad Celsius schmelzen die Kristalle, und das Natriumazetat löst sich im eigenen Kristallwasser. Diese Flüssigkeit lässt sich auf relativ niedrige Temperaturen kühlen, ohne dass sie kristallisiert. Erst wenn der Benutzer ein eingebautes Metallplättchen knickt, werden Minikristalle frei. Mit deren Hilfe wird das gesamte Natriumazetat wieder fest, und mit der dabei frei werdenden Energie lassen sich die Hände wärmen.

Riesiger Taschenwärmer fürs Haus

Simon Furbo von Dänemarks Technischer Universität in Lyngby im Norden von Kopenhagen und seine Kollegen in Dänemark und Österreich haben diesen Taschenwärmer im Rahmen des EU-Projekts COMTES zu einem Wärmespeicher entwickelt, der überschüssige Energie aus der warmen Jahreszeit für den Winter lagert. Auf dem Weg dorthin mussten die Forscher einige Hürden überwinden. So wird Natriumazetat zwar tatsächlich bei 58 Grad Celsius flüssig. In der Praxis aber bleiben in bestimmten Teilen der Apparatur gerne winzige Kristalle zurück. Beim Abkühlen aber genügt in der Theorie bereits ein einziger dieser Kristalle, um die gesamte Flüssigkeit lange vor Beginn des Winters fest werden zu lassen. Um wirklich alle Kristalle zu schmelzen, heizen die Forscher das Natriumazetat daher auf rund 70 Grad Celsius auf. Die benötigte Energie liefert der Überschuss einer Solarthermieanlage im Sommer.

Diese Flüssigkeit kühlt dann auf Raumtemperatur ab, die zum Verflüssigen eingespeiste Energie bleibt im Natriumazetat erhalten. Erst wenn dort kleine Kristalle freigesetzt werden, wird die Substanz in einer Minute wieder fest und wärmt sich dabei kräftig auf. Ein Wärmetauscher liefert diese Energie dann an die Heizung. In der Praxis stapeln die Forscher etliche Tanks übereinander, in denen jeweils eine fünf Zentimeter hohe Natriumazetatlösung schwappt. In der kalten Jahreszeit kann dann jeder der Tanks einzeln zum Kristallisieren gebracht werden. Um im Jahresdurchschnitt mit Sonnenkollektoren und den latenten Wärmespeichern 90 Prozent der Heizenergie eines Passivenergiehauses für eine Familie zu liefern, sollten schon 10 000 Liter Natriumazetat in ihren Tanks vorhanden sein. Allein die Speicherflüssigkeit schlägt mit nahezu 10 000 Euro zu Buche. Billig ist es also nicht gerade, mit dieser Methode die Sommersonne für die Winterkälte einzulagern.

Kühles Wasserdampfbad setzt Energie frei

Die beiden anderen vom EU-Projekt COMTES untersuchten Saisonspeichermethoden pumpen die Wärme des Sommers in 60 bis 80 Meter Tiefe in den Untergrund, wo sie den Boden um fünf bis sechs Grad aufheizt und so die Energie bis zum Winter lagert. Wird dann oben zusätzliche Wärme benötigt, holt ein Wasserkreislauf die in der Tiefe gebunkerte Energie nach oben, die dort bei starkem Unterdruck Wasser bereits bei fünf oder zehn Grad Celsius verdampft. Der kühle Wasserdampf wird an der Oberfläche dann entweder in so genannte »Zeolithe« oder auf Natronlauge geleitet. Wenn diese Materialien die Feuchtigkeit aufnehmen, wird reichlich Energie frei. Diese Wärme kann dann zum Heizen verwendet werden. Da die Aufnahme von Wasserdampf von Physikern als »Sorption« bezeichnet wird, nennen Ingenieure solche Systeme auch »Sorptionsspeicher«.

Wim van Helden von der Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie (AEE) im österreichischen Gleisdorf in der Steiermark und seine Kollegen in Österreich und Deutschland haben im Rahmen von COMTES Zeolithe untersucht. Das sind in der Natur vorkommende und technisch hergestellte Aluminiumsilikatmineralien, die von unzähligen, winzig kleinen Poren und Kanälen durchzogen sind. Durch diese Struktur haben Zeolithe eine extrem große Oberfläche, die über 700 Quadratmeter pro Gramm betragen kann. An ihrer riesigen Oberfläche lagern sie Wasser oder Wasserdampf begierig an und setzen dabei enorme Energiemengen frei. Im Sommer liefern Vakuumflachkollektoren Temperaturen von 150 Grad Celsius, mit denen das Wasser aus den Zeolithen ausgetrieben wird. Der entstehende Wasserdampf heizt einen Wasserkreislauf, der wiederum im Untergrund den Boden wärmt. Dort befindet sich also der eigentliche Energiespeicher. Die trockenen Zeolithe speichern dagegen nur das Potenzial für eine Wärmegewinnung. Das wiederum nutzt das System im Winter, wenn die im Untergrund gespeicherte Wärme bei starkem Unterdruck Wasser verdampft, das anschließend auf die trockenen Zeolithe geleitet wird. Die entstehende Hitze erwärmt dann sowohl das Heizungs- wie auch das Brauchwasser.

Weber und Benjamin Fumey, ebenfalls an der Empa im schweizerischen Dübendorf, untersuchen gemeinsam mit Kollegen in der Schweiz und in Nordirland einen anderen Sorptionsspeicher, der mit Hilfe von Natronlauge funktioniert. Im Sommer verdunstet die Sonnenwärme aus einer Mischung von 75 Prozent Wasser und 25 Prozent Natronlauge das Wasser. Der entstehende Wasserdampf überträgt seine Energie auf einen Wasserkreislauf, der den Untergrund um fünf oder sechs Grad aufheizt und so die Sonnenenergie dort speichert. Die konzentrierte Natronlauge, die noch immer 50 Prozent Wasser enthält und dadurch flüssig bleibt, kann viele Monate aufbewahrt werden. Bei Bedarf lässt sie sich auch über große Strecken transportieren und in einer anderen Anlage einsetzen.

Konzentrierte Natronlauge speichert Energie

Im Winter verdampft die im Untergrund gespeicherte Sonnenenergie an der Oberfläche bei starkem Unterdruck Wasser. Dieser zehn Grad kühle Wasserdampf wird auf die 50-prozentige Natronlauge geleitet. Wird schon bei der Mischung von Wasser mit Natronlauge viel Energie frei, liefert die Kondensation des kühlen Wasserdampfs aus dem Untergrund zusätzlich noch einmal die zehnfache Wärmemenge. Das reicht, um das Heizungswasser von 10 auf 45 Grad Celsius aufzuwärmen. »Dieses moderat aufgewärmte Wasser eignet sich daher am besten für Fußbodenheizungen und andere Flächenheizungen in einem Passivenergiehaus«, erklärt Empa-Forscher Robert Weber.

Wie so häufig in der Technik steckt der Teufel im Detail. In diesem Fall handelte es sich um einen Fallfilmverdampfer, wie ihn Lebensmittelkonzerne verwenden, um Orangensaft einzudicken. Als Benjamin Fumey durch dieses Gerät die zähflüssige Natronlauge strömen ließ, verklumpte sie zu dicken Tropfen, die sehr wenig Wasserdampf aufnahmen und so auch wenig Wärme lieferten. Die Natronlauge müsste einfach langsamer fließen, überlegte der Ingenieur. Genau das passiert in Spiralrippenrohren, in denen die Natronlauge langsam in Spiralen um ein Rohr herumfließt. Hier hat die Substanz genug Zeit, um reichlich Wasserdampf aufzunehmen. Die entstehende Hitze erwärmt das Rohr in der Mitte der Apparatur, das anschließend bis zu 45 Grad warmes Wasser für die Heizung liefert. Im Sommer funktioniert das Ganze genau umgekehrt: 60 Grad warmes Wasser fließt durch das Rohr und verdampft Wasser aus der verdünnten Natronlauge in den Spiralrohren.

Noch ist das System nicht perfekt. »Auf der Natronlauge bildet sich ein dünner Wasserfilm, und die Wärme wird von der Grenzfläche nur langsam nach innen geleitet«, erklärt Benjamin Fumey. Der Ingenieur arbeitet daher daran, die zähe Flüssigkeit ein wenig zu verwirbeln und so den Wärmeaustausch und die Leistung zu erhöhen. Anschließend soll die Anlage in ein Demonstrationsgebäude auf dem Empa-Gelände eingebaut werden und dort ihre Praxistauglichkeit beweisen. Bis ein solcher Sorptionsspeicher im Handel zu kaufen ist, dürften also noch einige Jahre vergehen. Ähnliches gilt wohl auch für die anderen beiden COMTES-Projekte.

Wenn es einmal so weit ist, könnte der Natronlaugen-Sorptionsspeicher der Empa seinen größten Trumpf ausspielen. Statt knapp 1000 Euro pro Kubikmeter Natriumazetat kostet die gleiche Menge Natronlauge gerade einmal 250 Euro. Obendrein sollten fünf Kubikmeter Natronlauge für ein Passivenergiehaus für eine Familie reichen, für das die doppelte Menge Natriumazetat benötigt wird. Da auch Zeolithe drei- bis viermal teurer als Natronlauge sind, könnte sich die Schweizer Methode am ehesten rechnen.