Wärme ist in grossem Ausmass verfügbar – jedoch vor allem im Sommer, und dies umso mehr, je stärker sich das Klima verändert. Der Bedarf nach Wärme fällt jedoch im Winter deutlich höher aus. Lässt sich die Sommerwärme in den Winter hinüberretten, um dann unsere Wohnungen ohne fossile Energie warm zu halten und so einen saisonalen Ausgleich zu schaffen? Möglich ist es. Nötig sind dafür Speicher, die vorhandene Wärme über Monate hinweg bewahren können. Solche saisonalen Speicher sind in der Schweiz bereits in mehreren Mehrfamilienhäusern im Einsatz. Die Hochschule Luzern untersuchte im Projekt OPTSAIS, unter welchen Rahmenbedingungen saisonale Speicher – in Kombination mit thermischen Solarkollektoren – eine breitere Verwendung finden können. Das Bundesamt für Energie (BFE) unterstützte das Projekt.
Energie ist nicht gleich Strom
Wärme saisonal zu speichern macht deshalb Sinn, weil die Hälfte des Schweizer Energieverbrauchs – in Haushalten sogar mehr als 80 Prozent – auf Wärme entfällt. Wärmespeicher können uns dem Ziel, bis 2050 keine fossilen Energien mehr zu verwenden, näherbringen. Projektleiter Willy Villasmil vom Institut für Maschinen- und Energietechnik der Hochschule Luzern ist überzeugt: «Saisonale Wärmespeicher werden für die Dekarbonisierung des Wärmesektors an Bedeutung gewinnen und dabei helfen, die Stromlücke im Winter zu schliessen». Dennoch beobachtet er, dass die meisten Menschen beim Stichwort «Energiewende und nachhaltige Energieversorgung» nur an Strom und an elektrische Batterien als Energiespeicher denken und nicht an Wärme und Wärmespeicher. Die Speicherung von Wärme über längere Zeiträume hinweg stösst noch immer auf Skepsis. «Einer der Gründe dafür liegt in den relativen hohen Investitionskosten und im Platzbedarf, vor allem wenn der Speicher innerhalb eines Gebäudes installiert wird», sagt Villasmil.
Wasser als Wärmespeicher
Mit Hilfe eines eigens dafür entwickelten Computer-Simulationsmodells spielte das Team der Hochschule Luzern in Simulationen verschiedene Optionen durch. Sie wollten wissen: Mit welchen Regelstrategien soll der Speicher optimal be- und entladen werden? Welches Verhältnis zwischen Solarkollektorfläche und Speichervolumen führt zu den geringsten Kosten? Wie verhalten sich die Investitionskosten eines erdvergrabenen Wärmespeichers im Vergleich zu einem Speicher, welcher im Gebäude installiert ist? Welche alternativen Dämmmaterialien könnten verwendet werden, um Platz und Kosten zu sparen?
Untersucht haben die Forschenden der Hochschule Luzern Immobilien an zwei Referenzstandorten: In Zürich mit seinen relativ hohen Immobilienpreisen und ausserhalb von Bern. Beide Gebäude beziehen ihre Wärme für die Bereitstellung von Raumwärme und Brauchwarmwasser zu hundert Prozent aus der in den Solarkollektoren gewonnenen Solarwärme; gespeichert wird die Wärme mit Hilfe von Wasser, das im Sommer auf 90 °C erhitzt wird.
Nachträglicher Einbau ist deutlich teurer
Die Studie hat gezeigt: Zum Beladen des thermischen Energiespeichers eignet sich eine Regelstrategie, bei der die thermischen Kollektoren einen geringen Durchfluss aufweisen, am besten. Dies führt dazu, dass die Flüssigkeit welche durch den Kollektor strömt, auf höhere Temperaturen erhitzt werden kann. «Kritisch bei solchen Warmwasserspeichern sind die Energiereserven im oberen Bereich des Tanks, wo die höchsten Temperaturen herrschen. Diese sind entscheidend, um die hygienischen Anforderungen bei der Aufbereitung von Brauchwarmwasser zu erfüllen», sagt Villasmil.
Weiter hat sich gezeigt: Der Einbau eines saisonalen Wärmespeichers in einem neuen Gebäude ist deutlich günstiger als eine nachträgliche Aufrüstung, bei der Umbaukosten anfallen. Werden neuartige Dämmmaterialien anstatt konventioneller Glaswolle verwendet, beansprucht der Speicher weniger Volumen, was die Kosten wiederum senkt. Besonders attraktiv bei einer nachträglichen Aufrüstung sind die sogenannten vakuumisolierten Wärmespeicher, deren Funktionsprinzip einer doppelwandigen Thermoskanne ähnelt. Solche Tanks können in der Nähe des Gebäudes vergraben werden, ohne Wohnflächen zu beanspruchen. So geht zwar etwas mehr Wärme ungenutzt verloren, doch die Kosten können tiefer gehalten werden. «Die für die Energiewende notwendigen Wärmespeichertechnologien sind heute bereits vorhanden. Deren Umsetzung ist eine Frage des Willens», sagt Villasmil.
Davon ist auch Dr. Elimar Frank, BFE-Programmleiter «Solarthermie und Wärmespeicherung» überzeugt. Er weiss: «Um die CO2-Emissionen des Schweizer Gebäudepark bis 2050 massiv zu senken, müssten von 2020 bis 2050 jedes Jahr bis zu 30‘000 fossile Heizungen durch erneuerbare Heizsysteme ersetzt werden. Optimierte Solarwärme-Systeme mit saisonalen Wärmespeichern können zum Erreichen der Ziele beitragen. Deswegen unterstützt das BFE Forschungsprojekte, die in diesem Themengebiet zukunftsweisenden Ergebnisse präsentieren.»
Klimaerwärmung: Studie zum zukünftigen Wärme- und Kältebedarf von Gebäuden
Die Klimadaten von MeteoSchweiz zeigen deutlich: Was 2011 noch als Extremszenarium in Sachen Erderwärmung galt, wurde 2018 bereits übertroffen. Matthias Berger von der Hochschule Luzern konnte die Daten für eine Studie zum zukünftigen Wärme- und Kältebedarf von Gebäuden nützen. Mit Hilfe der Daten und Simulationen wurden drei verschiedene Klimaszenarien betrachtet, welche sich bis zum Jahr 2099 erstrecken. In den Grundzügen sind die Resultate der Studie wenig überraschend: Wir werden im Sommer mehr Energie benötigen, um unsere Häuser zu kühlen, im Winter jedoch weniger, um sie zu heizen. Die detaillierte Analyse der verschiedenen Szenarien kann für Modelle von Energiesystemen genützt werden, aber auch um daraus Design-Kriterien für Gebäude abzuleiten, die veränderten Klimabedingungen Rechnung tragen. Die Studie wurde im November 2019 in «Energy and Buildings» publiziert.
