Thermochemische Wärmespeicherung im Neubau: Saisonale Solarenergie mit Strontiumbromid im Gebäudefundament (TGA-Konzept 2026)

Einleitung: Das saisonale Speicherproblem im Gebäudesektor:

Die saisonale Verschiebung zwischen sommerlichem Solarenergieüberschuss und winterlichem Heizbedarf stellt eine der größten Herausforderungen in der Gebäudetechnik dar.

Sensible Wärmespeicher, wie Warmwasserbehälter, verlieren über Wochen oder Monate kontinuierlich Energie. Thermochemische Speicher hingegen binden Energie chemisch und können saisonal praktisch verlustfrei Wärme bereitstellen [1][2].

Funktionsprinzip thermochemischer Speicher:

Thermochemische Speicher basieren auf reversiblen Hydratationsreaktionen:

• Ladevorgang (Sommer – Dehydratisierung):
  Ein hydratisiertes Salz wird durch Solarwärme entwässert. Die Energie wird in chemischer Form gespeichert.

• Entladevorgang (Winter – Hydratisierung):
  Durch Zuführung von Wasserdampf reagiert das Salz exotherm und setzt Wärme frei.

Ohne Wärmerückgewinnung während der Lagerphase gibt es praktisch keine thermische Selbstentladung [2].

Materialwahl: Strontiumbromid (SrBr₂·6H₂O):

Für Solarthermiekollektoren mit 90–120 °C ist SrBr₂·6H₂O ein geeigneter Kandidat:

• Dehydratisierung bei 80–120 °C

• Hohe theoretische Energiedichte (~1.000 kWh/m³)

• Reversibel bei geeigneter Reaktorführung

Praktische Systemwerte liegen jedoch unter Laborwerten, da Porosität und Wärmeübertragergeometrie das effektive Volumen beeinflussen [3].

Systemwirkungsgrad und Wärmerückgewinnung:

Die Kondensation des beim Trocknen entstehenden Wasserdampfs enthält große Energiemengen. Wird diese Wärme nicht zurückgeführt, sinkt der Systemwirkungsgrad deutlich.

Durch:

• Rückgewinnung der Kondensationsenthalpie

• Vorwärmung des Wärmeträgers

• Integration in das Fundament oder Technikräume

kann ein Wirkungsgrad von ca. 70–75 % realisiert werden [1].

Thermodynamischer Zielkonflikt: Temperatur vs. Effizienz:

Die Wahl des Salzes ist ein Kompromiss:

Gebäudetechnische Integration:

• Integration in Fundamentzonen, Technikräume oder Keller

• Minimierung von Flächenverlust

• Kombination mit Fußbodenheizung bei 35–40 °C

Hinweis: Für Temperaturen >100 °C sind Flachkollektoren ineffizient. Röhrenkollektoren ermöglichen hohe Temperaturen mit akzeptabler Effizienz.

Beispielrechnung thermochemischer Speicher:

Gebäude: 1.000 m² Grundfläche, 4.000 m² beheizte Fläche
Solarfläche: 700 m²
Heizbedarf: 160.000 kWh

Sommerliche Speicherung:

• Einstrahlung 600 kWh/m²

• Effizienz Röhrenkollektoren bei 90 °C ~43 % → 700 m² × 600 × 0,43 ≈ 180.600 kWh

• Mit Wärmerückgewinnung (~75 % Systemwirkungsgrad) → 135.450 kWh speicherbar

Winterliche Direktnutzung:

• Einstrahlung 300 kWh/m²

• Effizienz bei 35 °C ~60 % → 700 × 300 × 0,6 ≈ 126.000 kWh

Gesamt: ~261.450 kWh verfügbar, ausreichend für Heizbedarf 160.000 kWh, selbst bei strengen Wintern.

Technische Herausforderungen:

• Zyklenstabilität des Salzes

• Korrosionsmanagement

• Dampfverteilung im Reaktor

• Wirtschaftlichkeit (€/kWh Speicher)

• Langzeitverhalten

Forschungsprogramme: IEA Solar Heating and Cooling Programme – Task 58; Fraunhofer ISE (Allgemeine Forschung im Bereich thermische Energiespeicherung)

Quellen

[1] IEA Solar Heating and Cooling Programme – Task 58 Final Report
[2] N'Tsoukpoe et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009
[3] Kur et al., Energies, 2023

Einfluss der Kollektortemperatur auf den Wirkungsgrad:

Solarthermische Kollektoren verlieren an Effizienz, je höher die mittlere Arbeitstemperatur des Wärmeträgers Tm​ im Vergleich zur Umgebungsluft Ta​ ist. Physikalisch steigt der thermische Verlust durch Konvektion und Strahlung, wenn die Temperaturdifferenz zunimmt.

Die Abhängigkeit wird durch folgende Näherungsformel beschrieben:

Symbole:

Beispielrechnung für Röhrenkollektoren (90–120 °C):

Annahmen (Röhrenkollektoren):

Fall 1: Tm=90 °CTm = 90 °CTm​=90 °C

→ Wirkungsgrad ≈ 43 %

Fall 2: Tm=120 °CTm = 120 °CTm​=120 °C

→ Wirkungsgrad ≈ 21 %

Material

Vorteil

Nachteil

Niedrige Regeneration (Silikagel)

Höhere Regeneration (SrBr₂)

Höherer Kollektorwirkungsgrad

Höhere Entladetemperatur

Geringe Abgabetemperatur (<35–40 °C)

Effizienz der Kollektoren bei hohen Temperaturen sinkt