Solarspeicher: So finden Sie den richtigen Speichertyp

Hätte sich bereits eine der hier vorgestellten Optionen als nicht praktikabel gezeigt, wäre diese sicher schon vom Markt verschwunden. Das, was da jeweils als Problemlöser angeboten wird, ist also in der Regel durchaus tauglich, technische Anforderungen zu erfüllen. Welche Aufgabe erfüllen die jeweiligen Solarspeicher? Und welche Vorteile bieten die unterschiedlichen Systeme? Lesen Sie Hintergründe und Ratschläge dazu in diesem Bericht

Wasser als Wärmespeicher

Der Grundsatz steht fest. Das Angebot von thermischer Solarenergie fällt selten zeitgleich mit dem Bedarf an. Den Ausruf „Die Sonne scheint, ich werde wohl mal warm duschen gehen“ kennen wir in diesem Zusammenhang daher nicht. Auch nicht den Ausruf: „Heute könnte es warm werden im Haus, die Sonne scheint.“ Grundsätzlich wird also ein Vorrat an warmem Wasser angelegt und bei Bedarf abgerufen. Wasser als Wärmespeicher ist leicht verfügbar und hat eine hohe spezifische Wärmekapazität. Es eignet sich demzufolge hervorragend zu diesem Zweck.

Wie bereits beschrieben, geht es also um das Parken von Wärmeenergie. Zwei Beispiele zeigen etwas konkreter und im Zusammenhang mit Zahlen, worum es geht.

Nutzerbeispiel vierköpfige Familie im EFH

Eine vierköpfige Familie wohnt in einem Einfamilienhaus. Die vier Personen legen einfache Komfortansprüche an den Tag. Im Schnitt benötigt jeder einzelne von ihnen 50 Liter Warmwasser mit einer Temperatur von 45 °C, zusammen also 200 Liter. Betrachtet wird ein Tag mit 10 °C Außentemperatur. An insgesamt sechs Stunden dieses Tages wird eine Heizlast von 3 Kilowatt abgerufen. Dabei benötigt die Fußbodenheizung eine Vorlauftemperatur von 30 °C.

Hieraus ergeben sich die Ziele für einen wie auch immer gearteten Speicher. Will man also die notwendige Energie nicht zeitgleich mit dem Verbrauch liefern, muss man einen sinnvollen Vorrat anlegen. Den Bedarf an Speicherenergie kann man schon mal festlegen.

Nur Warmwasser

Um den Tagesbedarf von 200 Litern von 10 °C auf 45 °C zu erwärmen, wird Energie benötigt. Die errechnet sich aus:

Zwei Ziele lassen sich also zur Warmwasserbereitung formulieren:

• Will man den Tagesbedarf an Warmwasser decken, so sollten 8 kWh Wärmeenergie bereitgestellt werden. Im besten Fall liefert natürlich die thermische Solaranlage die notwendige Energie. Gerechnet mit fossilen Brennstoffen entspricht der Energiegehalt der in 0,8 Litern Heizöl steckt oder in 0,8 Kubikmetern Erdgas dem von 8 kWh. Eine Wärmepumpe mit einem COP von 4,0 für diese Bedingungen benötigt 2 kWh Strom zur Energiegewinnung.
• Sackt die Temperatur des Speicherwassers deutlich unter 45 °C kann es beim Duschen ungemütlich werden. Dann müsste zum Erhalt des Komforts konventionell nachgeheizt werden.

Nur Beheizung

Um den Heizbedarf zu decken, werden

Wieder lassen sich zwei Ziele formulieren:

• Will man den Tagesbedarf an Wärmeenergie decken, so sollten 18 kWh Wärmeenergie bereitgestellt werden. Das entspricht in etwa dem Energiegehalt, der in 1,8 Litern Heizöl oder 1,8 Kubikmetern Erdgas steckt. Eine Wärmepumpe mit einem COP von 4,5 benötigt 4 kWh Strom zur Energiegewinnung. Im besten Fall liefert wiederum die thermische Solaranlage die notwendige Energie.
• Sackt die Temperatur des Heizungspuffers deutlich unter 30 °C, könnte es sich im Haus ungemütlich abkühlen und es müsste konventionell nachgeheizt werden.

Sieben Speichertypen zur Auswahl

1. Bivalenter Trinkwasserspeicher

Der einfache Klassiker ist der bivalente Warmwasserspeicher. Bivalent meint in diesem Zusammenhang, dass einerseits die Solarenergie zur Erwärmung genutzt wird, andererseits kann, bei mangelnder solarer Einstrahlung, auch ein herkömmlicher Kessel den Speicher aufheizen. Es wird nur Trinkwasser als Speichermedium erwärmt. Eine Heizungsunterstützung ist daher mit diesem Speichertyp nicht möglich.

Wegen der sich einstellenden Schichtung von unterschiedlichen Wassertemperaturen sitzt der Wärmetauscher für die Solarenergie im unteren Bereich des aufrecht stehenden, zylinderförmigen Behälters. Dort, also gewissermaßen am Grunde des Sees, wird sich die kühlste Temperatur einstellen. Die Chance, bereits bei niedrigen Solartemperaturen etwas Energie ins Trinkwasser zu befördern, ist dadurch höher, als wenn die Umgebung des Solarwärmetauschers bereits stark erwärmt wäre. Im oberen Drittel des Speichers ist der zweite Wärmetauscher untergebracht. Dort kann bei Bedarf eine Nacherwärmung per Kessel erfolgen. Da ein Öl- oder Gasheizkessel auch sehr hohe Temperaturen erzeugen kann, fällt denen die Nacherwärmung in der relativ heißen Umgebung nicht schwer. Das ist wichtig, denn im Zweifel, wenn also von der Solaranlage kein Energiegewinn zu erwarten ist, müssen die fossilen Energien allein ran. Mit dem Wärmetauscher im oberen Drittel des Puffers kann und soll dieser aber nicht das gesamte Volumen aufheizen.

Zwei Dinge spielen jetzt eine Rolle:

Sichtweise 1:

„Der Kessel kann nicht den gesamten Speicher aufheizen.“

Die Wärme klebt gewissermaßen an der Decke des Puffers, weil das heiße Wasser leichter ist als das kalte. Daher ist es denkbar, dass das erwärmte Volumen des Speichers nicht ausreicht, beispielsweise bei anhaltender Nutzung von Dusche und Badewanne

Sichtweise 2:

„Der Kessel soll nicht den gesamten Speicher aufheizen.“

Würde der Kessel den gesamten Speicherinhalt bei einem Nachheizvorgang aufheizen, könnte bei anschließender Lieferbereitschaft der Solaranlage nichts mehr in den Speicher gepuffert werden. Wenn die Beispielfamilie also morgens geduscht hätte, wäre der Speicher abgekühlt. In froher Erwartung eines ganzen Sonnentages dürfte jetzt nicht der Kessel den gesamten Behälter durchheizen. Dann könnte ja nichts mehr von den Solarkollektoren gepuffert werden.

Ein bivalenter Speicher ist insgesamt empfindlich, was die richtige Dimensionierung angeht.

Ein zu großes Speichervolumen kann zur Legionellenbrutstätte mutieren.

Ebenso besteht die Gefahr, dass bei geringen solaren Erträgen eine aufwendige Erwärmung durch den Kessel notwendig werden würde.

Ein zu klein dimensionierter Speicher setzt gegebenenfalls Grenzen, was die Speicherung von Energie in den Sommermonaten angeht. Das würde dazu führen, dass die Kollektoren und das Solarsystem relativ häufig dem Stress der Überhitzung ausgesetzt werden.

Mit diesem bivalenten Speicher kann man aber insgesamt leben, ist er doch einfach aufgebaut und eine kostengünstige Variante eines Solarspeichers

2. Kombispeicher

Im Kombispeicher wird die solare Ernte auf das Heizungswasser des Behälters übertragen. Da dieses Wasser nicht, wie beim bivalenten Speicher, ständig erneuert wird, sind die Anforderungen an den Werkstoff des Behälters gering. Ohne ständigen Sauerstoffeintrag sinkt die Gefahr der Durchrostung erheblich. Den Kombispeicher plagen auch von Hause aus keine Ängste vor Verkeimung des Wassers, da es sich ja ohnehin nicht um Trinkwasser handelt. Allerdings muss die Erwärmung von Trinkwasser extern vorgesehen werden, wie die nachfolgenden Beispiele 3, 4 und 5 noch zeigen ­werden.

3. Kombispeicher mit interner Warmwasserbereitung

Ein häufiger Vertreter des Kombispeichers ist jener mit interner Warmwasserbereitung. Um Trinkwasser innerhalb des erwärmten Speichers auf Temperatur zu bringen, wird dieses innerhalb eines separaten Rohres durch den Behälter geführt. Um den Wärmeaustausch zwischen Speicherwasser und dem durchfließendem Wasser zu begünstigen, ist dieses Rohr stark gerippt und bietet so mehr Fläche als ein glattwandiges Rohr. Ein Hygieneproblem hält sich, wenn überhaupt, in engen Grenzen, bleibt doch das Volumen des Trinkwassers in dieser Wärmetauscherleitung gering.

Da sich die Tauscherfläche aber auch nicht beliebig ausdehnen lässt, ist die Leistung dieses Durchlauferhitzers begrenzt. Bei gleichzeitiger Nutzung von Dusche und Badewanne kann das Ding schon mal in die Knie gehen.

4. Kombispeicher mit Innentank

Eine komfortable Alternative zu dem im Punkt 3 beschriebenen Wellrohrtauscher ist der Tank im Tank. Prinzipiell kann eine angemessene Speicherkapazität unabhängig vom Warmwasserbedarf geplant werden, denn dieser wird durch einen separaten Tank gedeckt. Die Leistung ist dann entsprechend hoch, da ja bereits der gesamte Trinkwassertank auf Temperatur gebracht wurde. Man zapft also warmes Wasser aus dem Tank und zeitgleich wird nacherwärmt. Die Fläche des Trinkwassertanks in dem Puffertank fungiert dann als Wärmetauscherfläche.

5. Kombispeicher mit Frischwasserstation

Ideal, aber technisch aufwendig stellt sich der Kombispeicher mit Frischwasserstation dar. Zapft dabei jemand warmes Wasser, strömt dies durch einen Wärmetauscher, direkt am Puffer. Diese Anforderung von Warmwasser setzt eine Umwälzpumpe in Gang. Dann wird heißes Pufferwasser durch diesen Wärmetauscher getrieben und erwärmt auf der anderen Tauscherseite das eben noch kühle Trinkwasser. Dadurch wird das vorbeifließende Trinkwasser gradgenau erwärmt. In der Praxis kann die Übertragungsleistung sehr hoch angesetzt werden. Da dürften dann auch zwei gleichzeitig betätigte Duschen die Anlage nicht mehr überfordern.

6. Passiver Schichtenspeicher

Bei zunehmender Temperatur des Wassers nimmt die Dichte ab. Daher steigt eine warme Wassersäule in einem Speicher nach oben. Aber die „Gefahr“ besteht natürlich auch, dass sich die aufsteigende Warmwassermasse mit dem kühleren Umgebungswasser bereits auf dem Weg nach oben vermischt. Will man diese Vermischung verhindern und das erwärmte Wasser möglichst hoch transportieren, so baut man eine Art „Schornstein“ in den Speicher. Dieser „Schornstein“ erhält in verschiedenen Etagen kleine Austritte. Aufsteigendes warmes Wasser vermischt sich in diesem Schornstein auf dem Weg nach oben nicht mit der kühlen Umgebung. Und das erwärmte Wasser tritt an der Stelle aus dem Schornstein aus, bei der Temperaturgleichstand herrscht.

Dieses System sichert ohne Fremdenergie eine Temperaturschichtung der Solarenergie im Speicher. Daher wird die Nacherwärmung durch den Kessel seltener notwendig werden. Die höchste Temperatur sammelt sich systembedingt und bevorzugt oben. Der bauliche Aufwand des Schichtenspeichers ist aber doch gegenüber dem Standard erhöht. Und nur, weil es technisch machbar ist, muss sich dieser Mehraufwand nicht zwingend bezahlt machen.

7. Aktiver Schichtenspeicher

Will man die Schichtung umfassend überwachen und ist man auch bereit, dies messtechnisch zu unterstützen, so kann aktiv eingegriffen werden. Über eine Anzahl von Ventilen kann die solare Ernte immer an entsprechenden Positionen im Speicher eingelassen werden. Und man könnte durch entsprechende Nutzung diese einzelnen Temperaturschichten effektiv anzapfen und wiederum speziell nutzen. Beispielsweise könnte man die Schicht mit 30 °C für die Fußbodenheizung verwerten, während die Schicht mit 65 °C die Warmwasserbereitung unterstützt. Da wird in Sachen Mess- und Regelungstechnik natürlich einiges aufgewendet. Ob sich so etwas lohnt, muss im Einzelfall geprüft werden. Die Kleinanlage eines Einfamilienhauses bleibt in den nächsten Jahren sicherlich noch frei von solcher Technik.

Ausschlaggebend ist der Nutzen für den Kunden

Die Palette der Speichertypen ist groß und die jeweiligen Systeme ringen um die Gunst der Installateure und Endkunden. Der Installateur wird sicherlich gerne auch hervorragende Technik und hochpreisige Produkte anbieten. Aber letztlich muss auch der Nutzen für den Endkunden in das Gefüge aus Preis und Leistung passen. Und nur weil etwas technisch machbar ist und vielleicht zwei Prozentpünktchen mehr aus einer Solaranlage herauskitzelt, muss es ja nicht zum Vorteil für den Kunden sein. Wenn diese zwei Prozentpünktchen nur durch einen unverhältnismäßig hohen finanziellen Mehraufwand erreicht werden und sich nicht amortisieren, lässt man vielleicht besser die Finger davon.

Dieser Beitrag von Dipl.-Ing. (FH) Elmar Held ist zuerst erschienen in SBZ Monteur 04/2021. Elmar Held ist verantwortlicher Redakteur des SBZ Monteur. Er betreibt ein TGA-Ingenieurbüro, ist Dozent an der Handwerkskammer Münster und Hochschule Düsseldorf, sowie öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger.

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