Kann ich Sommerwärme speichern, um damit im Winter zu heizen?

Nach dem langen, warmen Sommer kam die Kälte, die Morgentemperatur sank plötzlich auf etwa den Gefrierpunkt. Ich habe seit Monaten viel Sonnenschein und jetzt vermisse ich ihn plötzlich wirklich. Mein Fokus liegt jetzt an der Heizenergie und als Ingenieur überlege ich schon, ob ich überschüssige Wärme im Sommer für den Winter speichern könnte, sodass ich für die Heizenergie nicht bezahlen muss. Schließlich gibt es Wärmespeicherheizungen, die die Wärme eines Tages speichern können und in einen Raum passen, den man einfach „etwas“ größer machen muss. Der Plan wäre, die Wärme der Sommer-Sonnenstrahlen zu sammeln, damit Material zu erhitzen und die Wärme dann im Winter langsam entnehmen. Praktisch eine etwas überdimensionierte Solarthermie-Anlage mit Pufferspeicher. Ich muss nur noch ein paar Fragen klären, um zu sehen, ob die Idee umsetzbar ist:

-Wie viel Energie wollen wir überhaupt speichern?

-Wie viel Fläche benötige ich, um im Sommer die Sonnenwärme zu sammeln?

-welches und wieviel Material kann die gegebene Wärmemenge speichern?

-Wie kann ich meinen Speicher thermisch isolieren, damit die gesammelte Energie nicht entweicht?

Der Artikel wäre gar nicht auf dieser Website, wenn ich für die oben genannten Berechnungen nicht die Software DockCalc verwendet hätte, da ich alle möglichen Maßeinheiten benötige, was mir die Software vereinfacht. Zunächst möchte ich wissen, wie viel Energie im Jahr zum Heizen benötigt wird. Glücklicherweise gibt es im Internet Erfahrungswerte, die den Energiebedarf eines Quadratmeters verschiedener Wohnungen annähern. Bei Neubauwohnungen liegt die Erwartung deutlich unter 100 kWh/m2/Jahr, da aber nicht alle Wohnungen so modern sind, habe ich 120 kWh/m2/Jahr zugrunde gelegt. Ich mag runde Zahlen, deshalb rechne ich mit einer 100 m² großen Wohnung. Die Multiplikation ist einfach, schon erkennt man, dass ich Wärmeenergie in der Größenordnung von 12.000 kWh speichern muss.

Das entspricht übrigens in etwa der Verbrennung von 1.000 Litern Öl. So viel teures und umweltschädliches Öl einzusparen ist sicherlich eine schöne Aufgabe.

Schauen wir uns nun an, wie groß die Fläche sein müsste, an der ich die Sonnenstrahlen auffangen müsste, um im Laufe des Jahres diese Wärmemenge zu sammeln. Dazu musste ich natürlich Daten zur jährlichen Sonnenscheindauer finden, zum Beispiel hier:

https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/deutschland

Da ich in Bayern wohne, ist die Situation günstiger als weiter nördlich, der Karte zufolge kann ich mit 1200 Sonnenstunden im Jahr rechnen. Tatsächlich werden die Daten der Karte in kWh/kWp angegeben, also Kilowattstunde pro Kilowatt Nennspitzenleistung, speziell für Solarzellen, die elektrischen Strom produzieren. Ich betrachte dies etwas grob als die durchschnittliche jährliche äquivalente Anzahl von Sonnenstunden. Ich glaube, dass Kollektoren, die die Wärme der Sonnenstrahlung nutzen, im Sommer viel effizienter sind als elektrische Solarmodule, daher habe ich angenommen, dass 50 % der gesamten Sonnenenergie gewinnbar sind (im Vergleich zum bescheidenen Wirkungsgrad von 20 % bei elektrischen PV-Anlagen). Wenn ich also die 12.000 kWh durch die 1.200 Sonnenstunden und das bekannte Maximum der Sonneneinstrahlung von 1 kW/m² teile, erhalte ich eine Kollektorfläche von 20 m² bei einem Wirkungsgrad von 50 %:

Es könnte sich lohnen, wenn ich dann nie wieder für die Heizung zahlen müsste.

Ich komme nun zum Thema Wärmespeicherung. Ich muss nicht lange in Wärmekapazitätstabellen suchen, um zu sehen: Ich möchte die Wärme in Form von heißem Wasser speichern.

Warum? Da Wasser in großen Mengen verfügbar und erschwinglich ist, ist der Solarkollektor genau darauf ausgelegt und verfügt über eine weltmeisterlich hohe Wärmekapazität: 4200 J/kg/K. Es ist kein Zufall, dass es als Essenzielles Grundelement verehrt wird, denn es ist die Grundlage des Lebens, ein fantastischer Stoff, den wir eigentlich viel mehr wertschätzen sollten.

Übrigens möchte ich anmerken: Die Wärmekapazität von Wasser ist der Ausgangspunkt unserer Kalorieneinheit: Eine Kalorie (cal) ist die Wärmeenergie, die benötigt wird, um ein Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erhitzen. Auf Lebensmittelverpackungen steht tausend mal das, die Kilokalorie (kcal).

Ich muss einige Annahmen über meinen imaginären Wärmespeicher treffen:

– Ich denke, dass ich bis zum Ende des Sommers das Wasser in meinem Wärmespeicher auf 95 Grad Celsius erhitzen werde.

– Ich möchte, dass es bis zum Ende des Winters 65 Grad Celsius hat, damit die Heizung damit effektiv arbeiten kann.

Basierend auf diesen Daten dividiere ich die 12.000 kWh durch einen Temperaturunterschied von 30 Grad Celsius und dann durch die Wärmekapazität des Wassers (4.200 J/kg/K).

Die resultierenden 342 Tonnen lassen mich ein wenig die Stirn runzeln, aber ich dividiere sie durch die Dichte des Wassers von 1000 kg/m³, um das schockierende Volumen von etwa 342 m³ vor mir zu erhalten.

Ich versuche mir dieses Volumen als 2 m tiefes rundes Becken vorzustellen, aber leider mit dem Durchmesser von fast 15 m, was eher für den Garten eines Luxushotels geeignet ist, nicht für das Grundstück eines kleinen Menschen, der beim Heizen sparen möchte.Die Verhandlungen des desillusionierten Träumers gehen in meinem Kopf weiter und er argumentiert, dass man sich auf jeden Fall auf die Sonnenstrahlen im Spätherbst und frühen Frühling verlassen kann, sodass man keinen so großen Pool braucht, aber ich kann immer noch nichts Kleineres glauben als 10 Meter. Meine anfängliche Begeisterung gehört bereits der Vergangenheit an, auch wenn ich an Wärmedämmung noch gar nicht gedacht habe. Obwohl die Formelsammlungsfunktion der DockCalc-Software dabei hilft, die Oberfläche des Pools einfach zu berechnen, haben Sie bei den 435 m² das Gefühl, dass die Lösung nicht einfach sein wird. Wenn ich ein halbes Jahr lang nicht mehr Wärmeverlust als 5 % der gesamten gespeicherten Wärme (600 kWh) zulassen möchte, kann das gesamte Schwimmbad nicht mehr als 136 W Verlustwärme abgeben, also 0,314 W/m². Ob dieses Problem gelöst werden kann, hängt davon ab, wie effektiv meine Isolierung ist. Die Wärmedämmung der beliebten Styroporplatten (in Ungarn Hungarocell genannt) beträgt 0,035 W/m/K, was man auch so verstehen kann, dass bei einer Dicke von 1 Meter 0,035 W Wärme pro Grad und pro Quadratmeter entweichen können. Zwischen meinem Warmwasser und dem Winterwetter wird es jedoch einen Unterschied von mindestens 70 Grad Celsius geben, sodass 1 Meter Wärmedämmung bereits 2,45 W pro Quadratmeter zulässt, obwohl der zulässige Wert bei 0,314 lag. Die bittere Wahrheit lässt sich aus dem Verhältnis der beiden Zahlen erraten: ca. Mein Pool bräuchte 7 Meter Wärmedämmung in alle Richtungen, damit die Energie nicht entweichen kann, bevor sie genutzt wird.

Um es gelinde auszudrücken, so etwas lässt sich nicht realisieren, leider muss ich aus meinem Traum aufwachen.

So gut es auch klang, dass ein Kollektor mit einer ganz vernünftigen Oberfläche notwendig wäre, so entmutigend sind die benötigte Wassermenge und die Unmöglichkeit der Isolierung. Wenn dem nicht so wäre, könnten sicherlich viele Häuser auf diese Weise Winterwärme bekommen und wir könnten eine Menge Umweltverschmutzung einsparen. Zwar lässt sich durch den Einsatz eines kleineren Energiespeichers auch viel Heizenergie einsparen. Glücklicherweise ist das Wetter so wechselhaft, dass es auch in der Heizperiode sonnige Phasen gibt, sodass man nicht „die ganze Energie aus dem Sommer mitbringen“ muss, und somit der benötigte Wärmespeicher deutlich kleiner ausfallen kann als meine durchaus sehr pessimistische Berechnung oben beschreibt.

Wenn Sie sich ein weniger ehrgeiziges Ziel setzen und eine Solarheizung nur für sommerliche Gebrauchswasser-Aufbereitung planen oder einen Solarkollektor nur zur Heizungsunterstützung nutzen möchten, können Sie gerne berechnen, wie groß der Kollektor sein soll und wie viel Wasser Sie brauchen und wieviel Energie es speichern kann. Für alle derartigen Berechnungen empfehle ich wärmstens die DockCalc-Software.  Seitdem ich die entwickelt habe, werde ich solche Schätzungen nicht mit etwas anderem beginnen. Wenn es Ihnen gefällt, können Sie es hier herunterladen.

Die Berechnung dazu ist hier: