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Solarspeicher

Definition: ein Warmwasserspeicher, der speziell für solare Beheizung optimiert ist

Englisch: solar energy storage

Kategorien: Energiespeicherung, erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor:

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Ursprüngliche Erstellung: 31.07.2010; letzte Änderung: 21.10.2018

Eine thermische Solaranlage liefert in Zeiten mit guter Sonneneinstrahlung Wärme, die für die spätere Verwendung gespeichert werden muss. Hierzu dient in der Regel ein Warmwasserspeicher, der dann häufig auch als Solarspeicher bezeichnet wird. Es gibt Solarspeicher für die reine Warmwasserbereitung und andere, die auch für die Heizungsunterstützung geeignet sind. Beide Varianten werden hier diskutiert.

Grundsätzlich sollten Solarspeicher etwas größer sein als konventionelle Warmwasserspeicher und eine besonders gute Wärmedämmung aufweisen, damit sie Wärme von sonnigen Tagen möglichst lange speichern können, um einige trübere Tage überbrücken zu können.

Es gibt auch Speicher für elektrische Energie aus Photovoltaik; diese werden im Artikel über Solarstromspeicher behandelt.

Solarspeicher für die Warmwasserbereitung

Speicher, die alleine der Warmwasserbereitung dienen, unterscheiden sich im Prinzip wenig von herkömmlichen Warmwasserspeichern. Meist handelt es sich um einen zylindrisch geformten Stahlbehälter, in dem das erwärmte (oder noch zu erwärmende) Trinkwasser steht, und der außen mit einer dicken Wärmedämmung versehen ist. Der Solarspeicher kann sich zusammen mit anderen Komponenten in einem Gehäuse befinden (siehe Abbildung 1). Das heiße Wasser wird oben entnommen, das kalte dagegen ganz unten zugeführt. Innerhalb des Speichers befinden sich häufig zwei getrennte Wärmeübertrager. Durch einen davon (in der Regel den unteren) fließt die Wärmeträgerflüssigkeit (Solarflüssigkeit), die bei Sonnenschein zwischen dem Solarspeicher und den Sonnenkollektoren mit Hilfe einer kleinen Pumpe umgewälzt wird. Wenn die Sonneneinstrahlung nicht ausreicht, um den Warmwasserbedarf zu decken, kann heißes Wasser von einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe durch den zweiten Wärmeübertrager gepumpt werden. Häufig wird der obere Teil des Solarspeichers ständig warmgehalten – ggf. mit Hilfe der Heizungsanlage (bivalenter Betrieb) –, damit jederzeit Warmwasser verfügbar ist, während der untere Teil nur mit Sonnenenergie erwärmt wird.

Manchmal wird auch ein Elektroheizstab verwendet, um den oberen Teil des Speichers an trüben Tagen warm zu halten. Dies vermindert jedoch die Energieeffizienz der Anlage wesentlich. Man erreicht unter Umständen kaum einen geringeren Primärenergiebedarf als bei einer Anlage mit Elektrowärmepumpe und ohne Solarthermie, die weitaus preisgünstiger zu installieren ist. Akzeptabel ist jedoch die gelegentliche Legionellenprophylaxe mit einem Elektroheizstab.

Solarspeicher
Abbildung 1: Der weiße Kasten enthält den Solarspeicher (mit 400 l Volumen) einer Solaranlage für Warmwassergewinnung und Heizungsunterstützung, außerdem die Solar-Umwälzpumpe und Solarsteuerung.

Es ist wünschenswert, dass der Solarspeicher eine gute Temperaturschichtung aufrechterhält: Das immer warme Wasser im oberen Teil soll sich möglichst wenig vermischen mit dem kälteren Wasser unten – aus zwei Gründen:

  • Einerseits wird so oben auch dann eine ausreichende Warmwassertemperatur erreicht, wenn der untere Teil des Speichers z. B. durch Warmwasserentnahme stark abgekühlt ist.
  • Andererseits kann damit auch bei mäßiger Sonneneinstrahlung (d. h. mit begrenzter Kollektortemperatur) im unteren Teil noch Sonnenenergie aufgenommen werden.

Die Ausdehnung des Wassers beim Erwärmen stabilisiert die Temperaturschichtung: Das erwärmte Wasser verliert dadurch an Dichte und bleibt natürlicherweise oben stehen. Jedoch kann die Schichtung gestört werden, wenn z. B. die Einlass- und Auslassstutzen nicht optimal angebracht werden, so dass Verwirbelungen auftreten können, oder wenn die Behälterwand gut wärmeleitend ist. Ebenfalls kann schädliche Konvektion an Zuleitungen auftreten, was jedoch mit speziellen Konvektionsbremsen unterdrückt werden kann. Der Speicher sollte ferner unbedingt aufrecht aufgestellt werden, und eine möglichst längliche, d. h. hohe und schlanke Form ist vorteilhaft für die Schichtung, obwohl andererseits die Wärmeverluste so etwas größer sind als bei einer kompakten Form. Ein weiterer Vorteil schlanker säulenförmiger Speicher ist, dass sie eher durch Türen passen.

Wenn ein Speicher so optimiert wird, dass die Temperaturschichtung möglichst gut erhalten bleibt und genutzt wird, spricht man auch von einem Schichtladespeicher.

Ein besonders vorteilhafter Ansatz ist die Beheizung des Solarspeichers nur mit Sonnenenergie, nötigenfalls mit Nachheizung in einem Gas-Durchlauferhitzer, wenn die Brauchwassertemperatur sonst nicht ausreichen würde. Bei diesem Verfahren ist das gesamte Speichervolumen für Sonnenenergie nutzbar, und Wärmeverluste treten nur auf, solange Sonnenenergie gespeichert wird. Man entgeht damit dem Dilemma, dass einerseits ein großes Speichervolumen vorteilhaft ist, um viel Sonnenwärme speichern zu können, dass dies andererseits aber auch zu höheren Wärmeverlusten führt.

Es gibt ebenfalls Solarspeicher, in denen nicht das eigentliche Warmwasser gespeichert wird, sondern immer dasselbe Wasser. Das Trinkwasser wird dann über einen Wärmeübertrager innerhalb oder außerhalb des Speichers erwärmt. Dieses Verfahren gilt als hygienischer, da nur ein geringes Volumen des Trinkwassers gespeichert wird; jedoch begrenzt die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers die pro Minute entnehmbare Warmwassermenge. Bei herkömmlichen Speichern mit einem großen Volumen gespeicherten Trinkwassers müssen andere Vorkehrungen gegen den Befall mit Legionellenbakterien getroffen werden, z. B. die regelmäßige Aufheizung auf Temperaturen oberhalb von 60 °C.

Das Volumen von Warmwasser-Solarspeichern im Einfamilienhaus beträgt typischerweise 300 bis 500 Liter – etwas mehr als bei konventionellen Anlagen ohne Solarthermie. Damit wird genügend Wärme gespeichert, um den Warmwasserbedarf für wenige trübe Tage zu decken. Bei wesentlich größeren Speichervolumina würden nicht nur Kosten und Platzbedarf, sondern auch die Wärmeverluste entsprechend ansteigen. Bei Mehrfamilienhäusern sind jedoch größere Speicher sinnvoll, und die Kosten und die Wärmeverluste pro Person sind dann deutlich geringer.

Solarspeicher für Warmwasser und Heizungsunterstützung

Wenn ein Solarspeicher nicht nur für die Warmwasserbereitung dienen soll, sondern auch für die solare Heizungsunterstützung, muss er anders beschaffen sein als ein reiner Warmwasserspeicher. Es gibt unterschiedliche Bauformen für solche Kombispeicher. Eine Möglichkeit ist, dass der Warmwasserspeicher (Boiler) in den oberen Teil eines größeren Heizungs-Pufferspeichers eingelassen ist und durch die Behälterwand vom Pufferspeicherwasser erwärmt wird. Ein Wärmeübertrager für die Solarflüssigkeit befindet sich unten im Pufferspeicher. Der Pufferspeicher kann, wenn nötig, mit einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe erwärmt werden – in der Regel direkt durch Einspeisen heißen Wassers, nicht über einen weiteren Wärmeübertrager. Ebenfalls kann Wasser für den Heizkreislauf (als Vorlauf zu den Heizkörpern) entnommen werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, separate Speicher für die Heizung und das Warmwasser zu verwenden.

Solarspeicher für Heizungsunterstützung werden in der Regel deutlich größer dimensioniert als für die reine Warmwasserbereitung – oft mit über 1000 Litern Volumen, für Wohnblöcke manchmal sogar mit hunderttausenden von Litern. Dies liegt daran, dass die Menge benötigter Heizwärme in der Regel viel größer ist, außer bei Passivhäusern. Die optimale Dimensionierung kann nicht mit einer einfachen Faustregel bestimmt werden, da z. B. auch der Heizwärmebedarf des Hauses eine wichtige Rolle spielt.

Grundsätzlich ist die Speicherung von Heizwärme für Mehrfamilienhäuser erheblich leichter zu bewerkstelligen als für Einfamilienhäuser, da die Kosten und auch die Wärmeverluste weit weniger als proportional zum Speichervolumen anwachsen.

Große Solarspeicher werden bei manchen energetisch optimierten Häusern innerhalb des Wärmedämmperimeters untergebracht. Hiermit wird erreicht, dass die unvermeidlichen Wärmeverluste das Haus heizen (z. B. die Badezimmer), anstatt im Keller zu verpuffen. Im Sommer kann dies freilich nachteilig sein.

Solare Eisspeicher

Für die Speicherung großer Wärmemengen, z. B. für saisonale Speicher, sind Warmwasserspeicher wegen der notwendigen Wärmedämmung aufwendig. Deswegen ist hier das Konzept des Eisspeichers interessant, bei dem die Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau (meist um 0 °C) gespeichert wird. Es ist dann eine Wärmepumpe nötig, um ein für die Nutzung ausreichendes Temperaturniveau zu erreichen. Ein solar regenerierter Eisspeicher kann auch als Solarspeicher angesehen werden; allerdings erfordert der Betrieb der Wärmepumpe nicht unerhebliche Mengen von Antriebsenergie. Deswegen sollte dieser Ansatz nicht als Solarheizung bezeichnet werden.

Siehe auch: Solarthermie, Warmwasserspeicher, Wärmespeicher, Pufferspeicher, Eisspeicher, saisonaler Energiespeicher, Warmwasser, solare Heizungsunterstützung, Solarstromspeicher
sowie andere Artikel in den Kategorien Energiespeicherung, erneuerbare Energie, Haustechnik, Wärme und Kälte

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