Thermochemische Wärmespeicherung in Gebäudefundamenten – Ein Konzept für saisonale Solarenergiespeicherung in Neubauten
Kann saisonale Solarwärme künftig in thermochemischen Speichern innerhalb von Gebäudefundamenten gespeichert werden? Dieser Beitrag untersucht ein Konzept auf Basis von Salzhydraten, Solarthermie und integrierter Gebäudetechnik.
Saisonale Wärmespeicherung mit thermochemischen Speichern in Gebäudefundamenten – ein möglicher Ansatz für zukünftige Niedrigenergiegebäude
Hinweis: Dieser Beitrag beschreibt ein technisches Konzept und eine vereinfachte energetische Betrachtung. Er stellt keine ausführungsreife Planung dar. Die dargestellten Annahmen dienen der technischen Orientierung und müssten im Rahmen eines realen Projekts durch detaillierte Simulationen, experimentelle Untersuchungen und projektspezifische Auslegungen überprüft werden.
Die saisonale Speicherung von Solarwärme gehört zu den zentralen Herausforderungen der modernen Gebäude- und Energietechnik. Während im Sommer häufig erhebliche solare Wärmeüberschüsse verfügbar sind, entsteht der größte Wärmebedarf typischerweise im Winter.
Konventionelle sensible Wärmespeicher, beispielsweise große Warmwasserspeicher, verlieren über längere Zeiträume kontinuierlich Wärme an ihre Umgebung. Thermochemische Wärmespeicher verfolgen einen anderen Ansatz. Die Energie wird nicht primär als Temperaturerhöhung gespeichert, sondern in Form einer reversiblen chemischen Reaktion.
Ein möglicher Speichermechanismus basiert auf der Dehydratisierung und Rehydratisierung geeigneter Salzhydrate.
Im Sommer wird das hydratisierte Salz durch Solarwärme entwässert. Die zugeführte Energie wird dabei chemisch gespeichert.
Im Winter wird Wasserdampf kontrolliert zugeführt. Die anschließende Hydratationsreaktion verläuft exotherm und setzt nutzbare Wärme frei.
Als möglicher Speicherkandidat wird in der Fachliteratur unter anderem Strontiumbromid (SrBr₂·6H₂O) untersucht. Das Material ist insbesondere deshalb interessant, weil die Dehydratisierung grundsätzlich in Temperaturbereichen erfolgen kann, die mit leistungsfähigen Solarthermieanlagen erreichbar sind.
Die theoretische volumetrische Energiedichte des reinen Materialsystems ist deutlich höher als die vieler klassischer Wärmespeicher. In realen technischen Anlagen liegen die tatsächlich erreichbaren Werte jedoch aufgrund von Kapselung, Wärmetauschern, Reaktorgeometrie, Dampfverteilung, Sicherheitsanforderungen und Wartungskonzepten deutlich darunter.
Aus meiner Sicht liegt die eigentliche Herausforderung daher nicht ausschließlich im Speichermaterial selbst, sondern im Gesamtsystem.
Zu den wesentlichen Entwicklungsaufgaben gehören:
Reaktordesign
Wärmeübertragung
Wasserdampfmanagement
Korrosionsschutz
Dichtheitskonzepte
Regelungsstrategie
Langzeitstabilität über viele Lade- und Entladezyklen
Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems
Besonders interessant erscheint die Frage, wie solche Speichersysteme künftig in Neubauten integriert werden könnten.
Anstatt große zusätzliche Technikräume vorzusehen, könnte der Fundament- und Untergeschossbereich neuer Gebäude bereits in der frühen Planungsphase als potenzieller Installationsraum für thermochemische Speichermodule berücksichtigt werden.
Dabei würden die Salze nicht direkt in Beton oder tragende Bauteile eingebracht. Stattdessen könnten gekapselte und wartbare Reaktormodule innerhalb dafür vorgesehener Fundament- oder Untergeschossbereiche installiert werden.
Der grundlegende Gedanke besteht darin, die ohnehin vorhandenen Bauvolumina eines Neubaus effizient für die saisonale Energiespeicherung mitzunutzen. Große Speichermengen könnten auf mehrere Module verteilt und entsprechend den Anforderungen der Gebäudeplanung integriert werden.
In Kombination mit Niedertemperatur-Heizsystemen wie Fußbodenheizungen könnte ein solcher Ansatz besonders interessant sein.
Zur Veranschaulichung kann folgende vereinfachte Betrachtung dienen:
Gebäudegrundfläche: 1.000 m²
Beheizte Nutzfläche: 4.000 m²
Solarthermiefläche: 700 m²
Jährlicher Heizwärmebedarf: 160.000 kWh
Für das Sommerhalbjahr wird eine solare Einstrahlung von 600 kWh/m² angenommen.
Bei einem angenommenen Kollektorwirkungsgrad von 43 % im Bereich von etwa 90 °C ergibt sich:
700 m² × 600 kWh/m² × 0,43 ≈ 180.600 kWh
Unter der Annahme eines optimistischen thermochemischen Speicherwirkungsgrades von 75 % könnten daraus etwa 135.450 kWh nutzbare saisonal gespeicherte Wärme resultieren.
Für das Winterhalbjahr wird eine solare Einstrahlung von 300 kWh/m² angenommen.
Bei einem angenommenen Wirkungsgrad von 60 % auf niedrigerem Temperaturniveau ergibt sich:
700 m² × 300 kWh/m² × 0,60 ≈ 126.000 kWh
In dieser vereinfachten Betrachtung ergibt sich somit ein theoretisches jährliches Wärmepotenzial von:
135.450 kWh + 126.000 kWh ≈ 261.450 kWh
Dieser Wert liegt rechnerisch über dem angenommenen jährlichen Heizwärmebedarf.
Wichtig ist jedoch, dass diese Betrachtung ausschließlich eine vereinfachte energetische Potenzialabschätzung darstellt. Sie ersetzt keine detaillierte Auslegung eines realen Systems.
Für eine belastbare technische Bewertung wären unter anderem erforderlich:
Monats- und Jahresenergiebilanzen
Reale Wetterdaten
Dynamische Gebäudesimulationen
Kollektorkennfelder
Speicherverluste
Leistungsfähigkeit des Reaktorsystems
Sicherheits- und Wartungskonzepte
Thermochemische Wärmespeicher auf Basis von Salzhydraten sind derzeit noch kein standardisiertes Gebäudetechnikprodukt. Dennoch erscheint die Technologie als interessanter Ansatz für kompakte saisonale Wärmespeicherung in zukünftigen energieeffizienten Gebäuden.
Die zentrale Frage lautet aus meiner Sicht:
Kann die Integration thermochemischer Wärmespeicher in die Gebäudestruktur zukünftiger Neubauten dazu beitragen, saisonale Solarenergie platzsparender, verlustärmer und wirtschaftlicher nutzbar zu machen?