Die effiziente Speicherung von solar gewonnener Energie ist zentral für die Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen und verhilft dem System zu einer noch besseren ökologischen Wirkung. Die Speicherung von elektrischer Energie aus der PV-Anlage erfolgt bestenfalls in Lithium-Ionen-Stromspeichern mit einem Wirkungsgrad von 90 bis 95 Prozent. Wie aber verhält es sich mit dem Speichern von Wärmeenergie, die mit Solarthermie-Anlagen gewonnen wurde? Latentwärmespeicher und thermochemische Prozesse können sich als innovative und günstige Varianten zur Speicherung in Warmwasserbehältern herausstellen.
Die Nutzung der auf dem eigenen Dach gewonnen thermischen Energie erfolgt zur Weiterverwendung im Gebäude üblicherweise über Warmwasserspeicher, die für verschiedene Einsatzzwecke ausgelegt sein können. Die Speicher können entweder für die Erwärmung von Trinkwasser, zur Heizungsunterstützung oder für beides genutzt werden. Unterschiedliche Bauweisen ermöglichen dabei unterschiedlich lange Speicherzeiten. Herkömmliche Systeme haben aber immer das gleiche Problem: Scheint die Sonne nicht, kühlt das Wasser etwa nach spätestens 20 bis 24 Stunden zu weit ab, um es weiter zu nutzen.
Solare Langzeitspeicher, auch Saisonalspeicher genannt, können die Wärmeenergie über einen viel längeren Zeitraum speichern. Dabei unterscheiden sich Speicher für Ein- und Zweifamilienhäuser, die als schlanke, turmförmige Großspeicher ausgeführt und wegen ihrer Größe bereits in der Bauphase ins Gebäude eingebaut werden müssen. In Nahwärmenetzen kommen Langzeitspeicher zum Einsatz, die über Volumina von mindestens 1000 Kubikmeter verfügen und im Erdreich eingelassen sind.
Neuere Solar-Forschung befasst sich intensiv mit innovativen Latentwärmespeichersystemen (auch Phasenwechsel- oder PCM-Speicher), die besonders effizient arbeiten und die eingeführte Wärme lange Zeit sehr verlustarm speichern können. Dabei unterscheidet man verschiedene Systeme, die als Solar-Eis-Speicher, Paraffinwärmespeicher und sogenannte Thermobatterien, die mit Salzlösungen gefüllt sind.
Forschung an Dänemarks Technischer Universität (DTU) hat ergeben, dass eine Solarthermieanlage, die mit einem Warmwasserspeicher und einer Salzbatterie kombiniert wurde, im dänischen Klima eine Deckungsrate von über 70 Prozent in einem energieeffizienten Drei-Personen-Haus erreichen kann. Die Batterien können laut der beteiligten Wissenschaftler*innen Wärme sowohl kurz- als auch langfristig speichern und damit einen Beitrag leisten, um große saisonale Schwankungen in der Produktion von Solar- und Windenergie in ganz Mittel- und Nordeuropa zu reduzieren.
Die Batterien sind mit flüssigem Salz, unterkühltem Natriumacetat-Trihydrat gefüllt. Wie bei allen Latentwärmespeichern nutzen die Batterien den Effekt des Phasenwechsels. Durch den Übergang zwischen den Aggregatzuständen wird Wärme freigesetzt, die vorher in das Material eingebracht und durch den Phasenwechsel in die andere Richtung gespeichert wurde. Das einfache Prinzip ist bekannt von den kleinen Plastikkissen, die mit flüssigem Salz gefüllt sind und die nach Drücken eines Metallplättchens durch Kristallisation des Mediums Temperaturen von über 58 Grad Celsius erreichen. Überträgt man das Prinzip auf einen Warmwasserspeicher im Gebäudebereich, wird die Salzlösung durch überschüssige solarthermische Energie verflüssigt. Erst nach Abfall der Temperatur im Wasserspeicher unter einen festgelegten Wert wird der Kristallisationsprozess angestoßen und die im Salz gespeicherte Energie erneut an das Wasser des Wärmespeichers abgegeben. Dabei verwandelt sich der
Latentwärmespeicherbehälter zu einem massiven Kristallblock. Der Prozess kann beliebig häufig wiederholt werden.
Neben der Forschung aus Dänemark gibt es weitere Hersteller und Forschungseinrichtungen, die Latentwärmespeicher erforschen und auf den Markt bringen. So hat der thüringische Heizungsbauer HM Heizkörper bereits früh entsprechende Batterien entwickelt und vertrieben. Aus der Insolvenz im Jahr 2020 hat sich das Traditionsunternehmen 2021 zwar erfolgreich gerettet, konzentriert sich seither aber wieder auf das Kerngeschäft mit Heizkörpern.
Hochgradig innovativ für die Speicherung erneuerbarer Energien, sowohl z.B. solar erzeugten Stroms oder Wärme haben sich neuartige Salz-Batterien aus Natriumhydroxid erwiesen. Anders als bei den bisher entwickelten Salz-Batterien können sie neben Wärme auch Elektrizität speichern. Das dänische Startup Seaborg hatte die Technik zufällig bei der Erforschung von Kernreaktoren entdeckt und für die Weiterentwicklung eigens ein Tochterunternehmen namens Hyme gegründet. Derzeit arbeite man an einer Pilotanlage, 2024 oder 2025 könnten die ersten Anlagen in Betrieb gehen. Bewahrheiten sich die Hoffnungen, könnte die Technologie künftig die Kosten bei der Speicherung von Wärme halbieren.
Einen anderen Weg zur effizienteren Speicherung von Wärmeenergie geht das Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP in Dresden. Um die für die Wärmespeicherung üblicherweise genutzten großen Warmwassertank zu ersetzen, könnte Thermochemie künftig eine wichtige Rolle spielen. Dabei erforschen die Wissenschaftler das Material Zeolith.
Eine Wärmezufuhr, beispielsweise aus einer Solarthermieanlage, treibt das Wasser aus dem Zeolith. Im trockenen Zustand ist das Material also energiegeladen. Wird dem Granulat Wasserdampf zugeführt, gibt es die eingespeicherte Wärme wieder ab. Auch hier geht bei langfristiger Speicherung keine Energie verloren. Zur Steigerung der Wärmeabgabe vom Zeolith in den Wärmetauscher haben Forscher*innen nun einen Prozess zur Beschichtung des Materials mit Aluminium entwickelt.
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