Autarke Stromversorgung für Gebäude

Hausbesitzer können zurzeit nur rund 20 Prozent des Stroms selbst nutzen, den ihre Solaranlage produziert – der Rest fließt in das Stromnetz. Zwei Kölner Forscher arbeiten an einer Lösung, mit der sich Gebäude fast ausschließlich mit selbstgewonnener Energie versorgen können.

Die beiden Wissenschaftler Prof. Dr. Johannes Goeke und Prof. Dr. Ralph-Andreas Henne von der Fachhochschule Köln haben im ersten Abschnitt ihres Forschungsprojekts „Thermische Speicher im Gebäude“ dazu einen hochdynamischen thermischen Speicher aus Phasenwechselmaterial entwickelt, englisch: Phase Change Materials (PCM).

Dazu erklärt Goeke vom Institut Technische Gebäudeausrüstung: „Das große Problem einer autarken Energieversorgung ist, dass die Stunden mit den höchsten Energieerträgen aus der Sonne nicht die Stunden sind, in denen die meiste Energie in Form von Wärme, Warmwasser und Elektrizität verbraucht wird. Deshalb entwickeln wir einen leistungsstarken und höchst dynamischen Speicher, um die Energie zu speichern und in den Stunden wieder abzugeben, in denen sie benötigt wird.“

Auch Wärme gewinnt an Bedeutung

Viele Hausbesitzer würden derzeit vor allem die selbsterzeugte elektrische Energie nutzen. Allerdings gewinne die Umwandlung in Wärme an Bedeutung, vor allem auch deshalb, weil Batterien zur Speicherung der elektrischen Energie sehr teuer seien. Forscher Goeke sagt daher weiter: „Wir haben deshalb einen Speicher für Wärme aus dem Phasenwechselmaterial Natriumacetat-Trihydrat (NA58) entwickelt.“

Sein Kollege Ralph-Andreas Henne, ebenfalls vom Institut für Technische Gebäudeausrüstung an der FH, fügt an, dass der von ihnen entwickelte Speicher aus einem Polypropylen-Tank mit 420 Litern Fassungsvermögen bestehe. „Durch eine Basistemperatur von 58 Grad Celsius ist sichergestellt, dass eine hygienekonforme Warmwasserbereitstellung möglich ist“, erläutert er.

Der Speicher besitze eine Kapazität von 42 Kilowattstunden und könne bei einer Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur von zehn Kelvin innerhalb von vier Stunden beladen werden. Der Wärmeverlust pro Tag betrage zurzeit 0,7 Kilowattstunden.

Häuser bleiben an das öffentliche Stromnetz angeschlossen

„Ein Speicher mit einem Kubikmeter Größe kann ein neu gebautes Einfamilienhaus mit Wärme und Warmwasser versorgen, abgesehen von den Tagen im Winter“, sagt Henne. Zu Zeiten, in denen die Temperatur unter minus 20 Grad Celsius falle, sei die Versorgung nicht mehr garantiert. „Aus diesem Grund, und um die Versorgungssicherheit bei technischen Problemen zu gewährleisten, bleibt das Haus natürlich an das öffentliche Stromnetz angeschlossen“, sagt Henne. 

Um möglichst viel Energie in kurzer Zeit zu speichern, entschieden sich die beiden Wissenschaftler für einen Plattenwärmetauscher, der so leistungsstark ist, dass bereits bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen Vorlauf- und Speichertemperatur eine hohe Ladedynamik erreicht wird.

Allerdings gibt es derzeit noch einige zu lösende Herausforderungen: „Natürlich benötigt der Plattenwärmetauscher im Speicher Platz, der dann nicht mehr für das PCM zur Verfügung steht. Durch die Wärmetauscherrohre und -rippen gehen uns rund 6,9 Prozent des Volumens verloren“, sagt Goeke.

Das Forschungsprojekt wird fortgeführt

In einem nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler den thermischen Energiespeicher daher nun so weiterentwickeln, dass er den Anforderungen einer Raumheizung gerecht wird.

Um die Lade- und Entladevorgänge entsprechend zu optimieren, muss der Energieverbrauch eines Gebäudes und seiner Nutzer, das sogenannte Lastprofil, über den Tagesverlauf simuliert werden. Durch Parallelschaltung von Speichern könnte die Wärmeversorgung eines Gebäudes aus den Speichern zudem auf mehrere Tage bis Wochen gesteigert werden.

Voraussichtlich im Sommer des kommenden Jahres möchten Goeke und Henne erste Ergebnisse zu diesem nächsten Projektabschnitt vorlegen.