Anwendung
Kalt, warm oder schon ganz heiß?
Die Suche nach neuen Lösungen zur Energiespeicherung
Beton verfügt über eine auf das Volumen bezogene Wärmekapazität, die mit der des Wassers vergleichbar ist – und ist damit als Wärmebzw. Kältespeicher bestens geeignet. Die Betonkernaktivierung nutzt diese Eigenschaft und bietet innovative Lösungen zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Forscher des Deutschen Instituts für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart zeigen bereits den nächsten Schritt in die Zukunft auf. Sie speichern solare Energie mittels Beton.
Wie funktioniert eigentlich Betonkernaktivierung? Das physikalische Prinzip der Heizung und Kühlung aufgrund der Wärmekapazität eines Stoffes ist einfach: warme Luft gibt Energie z.B. an Beton ab und wird dadurch kühler, im umgekehrten Fall entnimmt kühle Luft dem Beton Energie und wärmt sich dadurch auf. Bereits ohne weiteren technischen Aufwand tragen so Betonbauteile zu einer Stabilisierung der Raumtemperatur bei: Im Sommer wirkt das ausgekühlte Bauteil der Aufheizung eines Gebäudes entgegen, in der Nacht wird die Wärme aus dem Bauteil an die kühler werdende Luft abgegeben. Bei dieser einfachen Wirkungsweise reagiert der Beton passiv auf Temperaturänderungen in der Umgebung.
Das energetische Verhalten des Betons lässt sich jedoch durch Betonkernaktivierung steuern, indem in seinem Inneren Rohrsysteme oder Kapillarmatten verlegt werden, durch die temperiertes Wasser geleitet wird. Im Winter kann so mit warmem Wasser geheizt und im Sommer mit kaltem Wasser gekühlt werden. Werden die wasserführenden Rohrsysteme nahe der raumbegrenzenden Oberfläche verlegt, so spricht man von der „oberflächennahen Betonkernaktivierung“. Diese hat sich mittlerweile gegenüber der mittigen Lage in der Betondecke durchgesetzt, obwohl letztere die gesamte Speichermasse des Betons besser nutzen kann. Grund dafür ist die sowohl im Heiz- wie im Kühlfall schnellere Reaktion des Systems: aus dem Raum aufsteigende Wärmeenergie kann schneller abgeführt, für den Raum benötigte Wärmeenergie schneller abgegeben werden. Auf diese Weise lässt sich allein über die Decke eines Raumes eine Kühl- und Wärmelast von bis zu 80 W/m2 bewältigen. Mit zusätzlich aktivierten Innen- und Außenwänden sowie Bodenbelägen kann der gesamte Kühl- und Heizbedarf eines Gebäudes abgedeckt werden, ohne dass Heizkörper unter den Fenstern oder abgehängte Decken für Lüftungskanäle zur Zuführung konditionierter Luft erforderlich wären.
Neue Standards im Verwaltungs- und Gewerbebau
In den letzten Jahren hat die Bauteiltemperierung mittels Betondecken und -fußböden gerade im Verwaltungs- und Gewerbebau deutlichen Zuspruch erfahren. Als aktuelles Beispiel sei der Erweiterungsbau für das Ministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz von Anderhalten Architekten, Berlin, genannt. Das Gebäude, das noch in diesem Jahr bezogen wird, setzt ganz auf Betonkernaktivierung und natürliche Belüftung. Mit dieser Konzeption wird eine Energieeinsparung bei Heizung und Kühlung von rund 40 Prozent erreicht. Bereits in der Vorplanung hatte der Bauherr eine thermische Simulation beauftragt, die auch die Büroräume umfasste und Auskunft über die sommerlichen Wärmelasten und damit über den thermischen Komfort gab. Mittels Betonkernaktivierung werden nun die Wärmelasten aus den Bürogeschossen abgeführt; in den Erdgeschossräumen – Foyer, Presseraum, Besuchergruppen- und Konferenzraum – übernehmen Kühldecken diese Funktion. Die Betonkernaktivierung bietet neben der Energieeinsparung weitere Vorteile: Fassadeneinflüsse lassen sich besser kompensieren, das Zugluftrisiko sowie störende Geräusche von Ventilatoren entfallen. Hinzu kommen niedrige Investitions- und Betriebskosten sowie keine Platz- und Raumverluste. Die Aktivierung einzelner Architekturelemente kann technisch noch weiter optimiert werden, indem beispielsweise Erdwärme genutzt sowie Erd- und Wasserspeicher thermisch in das System mit einbezogen werden. Auch technische Komponenten der Solartechnik lassen sich thermisch sinnvoll nutzen – die zur Steigerung der Effizienz der Solarzellen mit einem betonkernaktivierten Unterbau entzogene Abwärme ist gewonnene Energie, die
ebenfalls gespeichert und wieder verwendet wird.
Die nächsten Schritte in die Zukunft
Für das Erreichen der Klimaschutzziele, die Bauherren und Hauseigentümern, aber auch allen Architekten und Ingenieuren erhebliche Anstrengungen und Innovationen abverlangen, kommt der Speichertechnologie eine Schlüsselrolle zu. Die zentralen Fragen lauten hier: Wie lässt sich regenerativ erzeugte Energie so speichern, dass sie jederzeit verfügbar ist? Und wie kann beispielsweise durch Solarkraftwerke eingefangene Sonnenenergie in höheren Temperaturbereichen gespeichert werden? Forscher des Instituts für technische Thermodynamik am Deutschen Institut für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Stuttgart zeigen hierzu neue Lösungen auf: Sie speichern Energie in einem Feststoffspeicher aus Beton, der Temperaturdifferenzen von bis zu 500 °C bewältigen kann. Die Wissenschaftlerin Dr. Doerte Laing vom Stuttgarter Institut schildert die besonderen Herausforderungen ihres orschungsprojektes: Was im Niedertemperaturbereich bestens funktioniert, nämlich die Nutzung der Solarenergie mittels Kollektoren und der Wärmespeicherung in Form erhitzten Wassers in Schicht- oder Pufferspeichern, findet bei Speichertemperaturen jenseits von 100 °C aufgrund des steigenden Dampfdrucks schnell seine Grenzen. Solarthermische Kraftwerke, die weitaus höhere Temperaturen produzieren, um mit dem so erzeugten Dampf Turbinen zur Stromerzeugung anzutreiben, benötigen eine effiziente Speichertechnik, die auf derart hohe Temperaturen ausgelegt ist. Speichertechnologie, die zumeist aufwändig, teuer und wenig effizient ist. Deutlich geringere Investitionen erfordern jedoch Speicher aus einem gießfähigen Feststoff, der nach dem Erhärten ein Rohrregister umschließt, über das die gewonnene Wärme an das feste Material abgegeben, dort gespeichert und über die in den Rohren zirkulierende Flüssigkeit – in der Regel ein Wärmeträgeröl – wieder abgegeben wird. Ein solches gießfähiges Material muss einerseits eine hohe Wärmekapazität aufweisen und über eine geeignete Dichte sowie gute Wärmeleitfähigkeit verfügen. Andererseits muss das Material die extremen Temperaturwechsel jederzeit mittragen und muss zudem dampfdurchlässig und kompatibel zu unterschiedlichen Werkstoffen sein. Ein ganzer Strauß an Anforderungen also. Aluminium-Gießkeramik leistet dies. Aber auch Beton, der alle diese Fähigkeiten besitzt und zudem nahezu überall regional verfügbar ist.
Das Deutsche Institut für Luft- und Raumfahrt hat jetzt gemeinsam mit Züblin ein 400 Kilowattstunden-Speichermodul aus temperaturfestem Beton entwickelt, das durch Zusammenschalten mehrerer identischer Module zu einem komplexen Beton-Wärmespeichersystem aufgerüstet werden kann. Das Speichermodul ist bislang in über 150 Zyklen 6.000 Betriebsstunden lang getestet worden. Der Arbeitsbereich liegt zwischen 250 und 400 °C. Je nach Betriebsweise erreicht der Speicher eine spezifische Kapazität von 20 bis 50 kWh pro Kubikmeter. Verschaltet man mehrere Module miteinander, lassen sich Speicherkapazitäten von mehreren 100 kWh bis zu einigen 1.000 MWh erzielen, mit denen sich die Laufzeit von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder solarthermischen Kraftwerken auch auf die Nachtstunden ausdehnen lassen und die an bewölkten Tagen die unvermeidbaren solaren Verluste ausgleichen können. Damit würden sich die Schwankungen in der Energiebereitstellung, die die meisten regenerativen Energien aufweisen, ausgleichen lassen. Der in Stuttgart entwickelte Beton-Wärmespeicher ist von einem Register, aus parallel angeordneten Stahlrohren durchzogen, durch die beim Ladevorgang das aufgeheizte Wärmeträgermedium (Wasser, Dampf, Öl) fließt und seine Wärme an den Speicherbeton abgibt. Wird die im Beton gespeicherte Wärme benötigt, verläuft der Prozess in umgekehrter Richtung. Eine Trennschicht zwischen Rohrregister und Speicherbeton gewährleistet die strikte Abgrenzung der beiden Funktionen Wärmeübertragung und Wärmespeicherung und entkoppelt zugleich die unterschiedlichen thermischen Dehnungen beider Materialien. Da dem Speicherbeton keinerlei statische Aufgaben zukommen, ist die Betonmischung auf eine hohe Wärmeleitfähigkeit und -kapazität ausgerichtet und optimiert. Die Größe der Speichermodule orientiert sich an den Parametern Druck, Temperatur und der geforderten Speicherkapazität und -dauer. Die Obergrenzen bestimmen sich aber auch durch die lieferbaren Rohrlängen und betontechnologische Erfordernisse – im Augenblick hält man in Stuttgart Größen bis zu 200 m3 für sinnvoll.
Erfolgreiche Praxistests in Spanien
In Spanien entstehen derzeit solarthermische Kraftwerke mit 50 MW eelektrischer Leistung, als Wärmeträgermedium dient Thermoöl. In einem national geförderten Projekt wurde die eststoffspeicher-Technologie auf der Testanlage der Plataforma Solar de Almería – beim Bau des Kraftwerks war u.a. das Ingenieurbüro Schlaich Bergermann und Partner beteiligt – bereits erfolgreich getestet. Die Ergebnisse belegen, dass Feststoffspeicher mit rund 20 Euro pro kWh thermische Speicherkapazität eine technisch wie wirtschaftlich überzeugende Lösung darstellen. Zudem stellte sich bei der Pilotanlage nach einer Analyse der beiden Materialvarianten Aluminiumoxid-Gießkeramik und Beton heraus, dass Feststoffspeicher aus temperaturfestem Beton deutlich günstiger sind – rund 40 Prozent der In vestitionskosten entfallen dabei auf den Speicherbeton, etwa 50 Prozent auf das Rohrsystem. Während der Betriebsphase zeigt sich ein weiterer Vorteil der Feststoffspeichertechnologie: sie ist nahezu wartungsfrei.
Die politischen Vorgaben zum Klimaschutz sowie die langfristig unvermeidbare Abkehr von fossilen Brennstoffen erfordern vieles: innovative Lösungen bei der Bereitstellung von Energie, erhöhte Effizienz bei der Energiegewinnung, ein verbessertes Energiemanagement bei Strom und Wärme – und sicher noch einiges mehr. Der Schlüssel zu mehr Flexibilität bei zukunftsfähigen Energiesystemen liegt eindeutig in der Speichertechnologie. Dem Baustoff Beton erschließen sich dabei möglicherweise völlig neue Anwendungsgebiete, wenn man sie nur entsprechend anzuwenden versteht.
Klaus Siegele
