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Sommerwärme für den Winter speichern- Forscher tüfteln an Lösungen

Ein Problem der Sonnenkollektoren: Bislang fehlen Speicher, die bis zum Winter die im Sommer reichlich vorhandene Wärme lagern. Schweizer Wissenschafter forschen an einem Verfahren mit Natronlauge.
Roland Knauer
Noch fehlt eine Patentlösung, wie man Sonnenenergie für die dunkle Jahreszeit speichern kann. (Bild: Gaëtan Bally/Keystone)

Noch fehlt eine Patentlösung, wie man Sonnenenergie für die dunkle Jahreszeit speichern kann. (Bild: Gaëtan Bally/Keystone)

Im Winter scheint die Sonne viel weniger, sie steht zudem tief am Himmel und liefert auch markant weniger Energie. Gleichzeitig laufen die Heizungen auf Hochtouren, und sie könnten die Sommerwärme jetzt gut brauchen.

Zwar könnte man die über Kollektoren eingefangene Sommerwärme als Wasser speichern, dazu würde man aber in einem Passivhaus für eine Familie einen einfamilienhaushohen Zylinder benötigen, der inklusive einer 25 Zentimeter dicken Isolierung einen Durchmesser von 2,10 Meter hat. Das wiederum kommt ziemlich teuer zu stehen und wird daher wenig eingebaut.

Probleme mit Platz und Kosten

Handwärmekissen

Handwärmekissen

Eine bessere Methode zum Speichern von Wärme gibt es unter anderem in Outdoorläden oder beim Fachbedarf für Jäger längst als sogenanntes Wärmekissen. Darin steckt das Natriumacetat genannte Salz der Essigsäure, dessen Kristalle bei 58 Grad Celsius schmelzen. Gleichzeitig enthalten die Kristalle die dreifache Menge Wasser, in dem sich das Natriumacetat beim Schmelzen löst. Ohne wieder zu kristallisieren, lässt sich diese Flüssigkeit auf relativ niedrige Temperaturen kühlen. Erst der Druck auf ein eingebautes Metallplättchen lässt das Natriumacetat wieder fest werden. Dabei wird dann jede Menge Wärme frei, welche die Hände wärmt.

Simon Furbo von Dänemarks Technischer Universität (DTU) in Lyngby im Norden von Kopenhagen und seine Kollegen in Dänemark und Österreich haben dieses Verfahren im Rahmen des EU-Projektes Comtes weiterentwickelt.

Dabei heizt die überschüssige Wärme einer Solarthermieanlage im Sommer das Natriumacetat in kleinen, nur fünf Zentimeter hohen Tanks auf rund 70 Grad Celsius auf. Diese Flüssigkeit kühlt dann auf Raumtemperatur ab. Die zum Verflüssigen eingespeiste Energie bleibt im Natriumacetat 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. Stapelt man etliche dieser Tanks übereinander, kann jeder davon einzeln in der kalten Jahreszeit zum Kristallisieren gebracht werden und seine gespeicherte Wärme ins Haus liefern.

Um im Jahresdurchschnitt mit Sonnenkollektoren 90 Prozent der Heizenergie eines Passivenergieeinfamilienhauses zu decken, braucht man allerdings 10000 Liter Natriumacetat. Allein diese Speicherflüssigkeit würde daher mit nahezu 10000 Euro zu Buche schlagen.

Winzige Poren schaffen grosse Oberfläche

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 in einem zweiten Projekt sogenannte Zeolithe untersucht. Das sind in der Natur vorkommende oder technisch hergestellte Mineralien, die von unzähligen, winzig kleinen Poren und Kanälen durchzogen sind. Dadurch haben Zeolithe eine extrem grosse Oberfläche, die über 700 Quadratmeter pro Gramm erreichen kann. Diese riesige Oberfläche lagert Wasser oder Wasserdampf begierig an und setzt dabei enorme Energiemengen frei.

Im Sommer liefern Vakuumflachkollektoren Temperaturen von 150 Grad Celsius, mit denen dieses 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 Brauchwasser.

Schweizer setzen Natronlauge ein

Ein sehr ähnliches Prinzip nutzen Robert Weber und Benjamin ­Fumey vom Forschungsinstitut Empa des Eidgenössisch-Technischen Hochschulbereichs in Dübendorf und ihre Kollegen in Nordirland und der Schweiz. Bei ihnen verdunstet im Sommer die Sonnenwärme Wasser aus einer Mischung von 75 Prozent Wasser und 25 Prozent Natronlauge.

Über einen Wasserkreislauf heizt dieser Dampf den Untergrund um fünf oder sechs Grad auf und speichert dort die Sonnenenergie. Die konzentrierte Natronlauge, die noch immer 50 Prozent Wasser enthält und flüssig bleibt, kann viele Monate aufbewahrt werden oder auch über grosse Strecken transportiert und in einer anderen Anlage eingesetzt werden.

Ähnlich wie bei den Zeolithen erzeugt im Winter die im Untergrund gespeicherte Sommerwärme an der Oberfläche 10 Grad kühlen Wasserdampf, der auf die 50-prozentige Natronlauge geleitet wird. Vor allem das Kondensieren dieses Wassers liefert sehr viel Energie, die das Heizungswasser von 10 auf 45 Grad Celsius aufwärmt. «Mit diesem aufgewärmten Wasser lassen sich am besten Fussbodenheizungen und andere Flächenheizungen in einem Passivenergiehaus betreiben», erklärt Empa-Forscher Robert Weber.

Lösen die Forscher noch ein paar technische Probleme, bietet der Natronlaugenspeicher der Empa in ein paar Jahren zwar nicht unbedingt einen Kostenvorteil, aber zumindest eine platzsparende Lösung.

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