Schaumbeton und Wasser als neues unterirdisches Wärmespeichermedium zur Verbesserung der saisonalen Effektivität der Solarthermie und anderer Umweltenergien

27.07.2006

Stand der Entwicklungen - neue Erkenntnisse: Weltweit wird nach Lösungen gesucht, insbesondere auch den Wärmeenergiebedarf sowohl durch eine effektivere Nutzung grundsätzlich zu reduzieren, als auch die entsprechende Bereitstellung weitestgehend durch nachhaltigere und umweltfreundlichere Energien, sogenannten Umweltwärmeenergien, zu ersetzten. Beides kann hierbei ideal in Synergie miteinander verbunden werden.

Bekanntlich benötigen die meisten Umweltwärmeenergien zur deren wirklich effektiver Nutzung einen recht großen Wärmespeichers, um saisonal- und betriebsbedingte Temperatur- und Leistungsschwankungen auszugleichen. Dies gilt insbesondere für die Nutzung der Sonnenenergie. Kombiniert man jedoch die Sonnenenergie mit einem entsprechenden Wärmespeicher zusammen mit der modernen Niedrig-, Passiv- oder Nullenergie-Bauweise von Gebäuden, und ergänzt das Ganze gleichzeitig mit vorgespeicherter Umweltwärme, z.B. in Form von Erd- oder Abwasserabwärme, kann die benötigte Speicherkapazität pro Gebäude gegenüber den bisherigen Erkenntnissen um ein Vielfaches reduziert werden.
Auch wird bei energetisch optimierten Gebäudebauweisen der Gebäudekühlung eine immer wichtigere Rolle zufallen, sodass die innere und äußere Gebäudeabwärme zusätzlich eine immer wichtigere Umweltwärmequelle werden wird. Damit werden praktisch einfacher handhabbare und kostengünstigere Speichervolumen ermöglicht, sodass künftig jeder Liegenschaft bzw. jedem Gebäude ein solcher Wärmespeicher dezentral und unabhängig separat zu akzeptablen Kosten zugeordnet werden kann. Aufgrund der sehr begrenzten Freiflächen in den beengten städtischen Infrastrukturen sollte zudem dann eine Speicherkonstruktion gewählt werden, die idealerweise überbaubar ist, und somit unter den Gebäuden im Erdreich Platz finden kann.
Die unterirdische Ausführung hat weitere Vorteile, weil einerseits keine Gebäuderäumlichkeiten dafür in Anspruch genommen werden müssen, und andererseits die Erdwärme als zusätzlicher Energiespeicher mitgenutzt werden kann. Dies reduziert zumindest den bislang nicht unbedeutenden Aufwand für die Wärmedämmung des Speichers. Auch ermöglicht diese Konzeption die technische Weiterentwicklung hin zu immer moderneren Speichertechnologien, z.B. dem Hybridspeicher, einer Kombination aus Schaumbeton-Wasser-Wärmespeicher und Erdwärmespeicher, der auch für Gebäudehochbauten künftig sicherlich eine interessante Perspektive darstellen wird. Voraussetzung dafür ist aber, dass der Wärmespeicher einfach und kostengünstig zu realisieren, und unter dem unzugänglichen Gebäude entsprechend robust, langlebig und wartungsfrei ist.
Der künftige Trend wird also sein, energetisch moderne Gebäudebauweisen weitestgehend unabhängig von Versorgungsnetzen und entsprechender Primärenergie mit einem individuell geeigneten Mix von Umweltenergien, einschließlich Solarthermie, zusammen mit einem eigenen Wärmespeicher zu betreiben.
Neue Konzeption

Diesem Konzept verfolgt die nachfolgende Ausführung eines an sich konventionellen unterirdischen und mit einem Gebäude überbauten Wasser-(Schichten-)Wärmespeichers, der jedoch nicht wie bislang bekannt mit einem losen bzw. flüssigen Kies-Wasser-Gemisch befüllt, sondern aus einer speziell entwickelten Schaumbetonmasse besteht, die nach ihrer Aushärtung eine mikroporöse feste Baustoffstruktur aufweist. Diese Baustoffstruktur ist statisch selbstragend, sodass bei diesem System keine zusätzlichen Behälter oder Auffangbauwerke aus Stahlbeton, Stahl oder Kunststoff mehr erforderlich sind. Jedoch sollte auch bei der Verwendung dieses Baustoffes der Wärmespeicher zumindest nach oben und ggf. zu den Seiten hin mit einer geeigneten Folie abgedichtet und entsprechend wärmegedämmt werden.
Eine zusätzliche Abdichtung und Wärmedämmung nach unten ist nicht unbedingt erforderlich, da das zementartige Bindemittel mit der anliegenden Gesteinszone des Erdreichs eine zusätzliche Betonschale bildet (Selbstabdichtungseffekt). Die zusätzlichen technischen Einrichtungen werden während der Betonierarbeiten in dem noch flüssigen Schaumbeton formschlüssig eingelassen. Die entsprechenden Rohranschlüsse werden auf dem kürzesten Weg in die technische Zentrale des jeweiligen Gebäudes geführt.
Ist die Schaummasse ausgehärtet, wird die poröse Struktur des Wärmespeicher bis zur gänzlichen Sättigung mit Wasser befüllt. Anschließend wird das Gebäude darüber erbaut. Dieser Speicher arbeitet aufgrund seiner geschlossenen und mit Wasser gefüllten Betonschaumstruktur mit einem ruhenden Speichermedium im Niedertemperaturbereich, sodass die Be- und Entladung der Wärme indirekt über ein integriertes Kollektorrohrsystem erfolgt. Niedertemperaturwärme ist bekanntlich am wirtschaftlichsten zu speichern, weil geringere Wärmeverluste auftreten, bedarf jedoch der Unterstützung der Wärmepumpe. Dieser Wärmespeicher kann mit den unterschiedlichsten Wärmequellen, einschließlich der Sonnenenergie im Energiemix ganzjährig betrieben werden. Auch konventionelle Heiz- und Kühlsysteme (z.B. BHKW, Nah- oder Fernwärme etc.) können damit vorteilhaft kombiniert werden.
Dieses Speicherkonzept unterstützt nicht nur den neuen Trend, künftig die Gebäude weitestgehend unabhängig von Netzver- und Entsorgern betreiben zu können, Stichwort: Energy Self-Sufficient and Eco-Efficient Buildings (s. auch http://www.wbcsd.org), sondern dürfte auch in diesem Anwendungsfeld zu einem wichtigen Baustein bzw. zur Schlüsseltechnik werden.
Vorteile des Konzepts

  • Schaumbeton ist in großen Mengen kostengünstig herstell- und einfach und sparsam verarbeitbar
  • Schaumbeton hat eine hohe Wasseraufnahme- und damit Wärmespeicherkapazität, ist in ausgehärtetem Zustand statisch selbsttragend, und kann problemlos überbaut werden, und bedarf daher keiner zusätzlichen aufwendigen Auffangbauwerke
  • Der Schaumbeton dichtet sich gegenüber rohem Erdreich automatisch ab und kapselt den Wärmespeicher mit eine zusätzliche Betonschale ein. Zudem wird das Wasser in den Poren durch die Kapillarwirkung in der Baustoffstruktur weitestgehend festgehalten. Nennenswerte Leckagen, auch in nicht zusätzlich abgedichteten Bereichen, sind daher nicht zu erwarten. Ggf. wird aber eine geringe Ausnässung nicht zu vermeiden sein. Der damit verbundene Verlust an Speicherwasser kann jedoch problemlos von oben nachgefüllt werden.
  • Der Wärmespeicher ist umweltfreundlich, wartungsfrei und entsprechend alterungs- und korrosionsbeständig.
Fazit

Die Verwendung von Schaumbeton und Wasser als Wärmespeichermedium ermöglicht nunmehr insbesondere aufgrund der reduzierten Systemkosten auch den effizienten und dezentralen Bau von kleineren Speichereinheiten in bestehenden städtischen Infrastrukturen. Damit steht dem einzelnen Gebäudebetreiber bis hin zum Einfamilienhausbesitzer eine weitere wichtige Baukomponente für den autarken und von großen Wärmelieferanten unabhängigen Betrieb einer eigenen modernen Wärme- und Kälteversorgungsanlage zur Verfügung.

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