Am Institut für Textil- und Verfahrenstechnik (ITV) Denkendorf sind in den vergangenen Monaten neuartige flexible Solarthermiekollektoren entwickelt worden, die sich für den Einsatz auf nicht ebenen Dachflächen und für Membranbauten anbieten. Derzeit werden die Kollektoren in Kombination mit einem ebenfalls neu entwickelten Langzeit-Wärmespeicher im sogenannten Eisbär-Bau erprobt, einem textilen Membranbau, der im Zuge eines vom Land Baden-Württemberg und der Europäischen Union geförderten Verbundforschungsprojekts entstanden ist.
Ziel des Projekts "Eisbär" war ein energieautarkes Gebäude mit einem isolierten Membrandach für die ganzjährige Nutzung. Das ist hierzulande nur möglich, wenn neben einer sehr guten Wärmedämmung am Gebäude Wärme gewonnen und langfristig gespeichert werden kann. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde die textile Gebäudehülle des Eisbär-Baus mit Solarkollektoren ausgestattet, die aus mehreren Membranschichten bestehen.
Die unterste Schicht besteht aus einer schwarzen Absorberfolie, die Temperaturen bis zu 160 Grad aushält. Darüber liegt in der luftführenden Schicht ein Abstandsgewebe aus Polyester. Als Abdeckung dient eine Ethylen-Tetrafluorethylen-Folie (ETFE). Solche ETFE-Folien kommen üblicherweise im Membranbau zum Einsatz, sie weisen ein geringes Eigengewicht sowie eine hohe Licht- und Ultraviolett-Durchlässigkeit auf.
Der Solarkollektor nimmt die gesamte Südseite des futuristischen Eisbär-Baus in Denkendorf ein. Seit 21. Dezember 2012 ist das Gebäude in Betrieb, zu dem auch ein innovatives Speichersystem gehört. Geplant ist ein zweijähriger Testbetrieb. "Natürlich ist das Eisbär-Haus ein Erprobungsbau auf Forschungsniveau, aber im Prinzip ist die zugrundeliegende Technologie nicht allzuweit von der Marktfähigkeit entfernt", berichtet Peter Kungl von der Trans-Atmospheric Operations GmbH, die im Projekt für die Entwicklung des Speicherkonzepts verantwortlich zeichnet. Kungl stellte das Projekt auf der Stuttgarter Messe Clean Energy Building CEB 2012 einem breiten Publikum vor.
Durch den textilen Sollarkollektor strömt Luft mit einer Geschwindigkeit von 0,6 m/s und wird dabei erwärmt. Die so erzeugte Warmluft wird über das Dach des Eisbär-Baus dem Wärmespeicher zugeführt. Dieser ist in der Lage, Wärmeenergie in chemische Energie umzusetzen und nahezu verlustfrei zu speichern.
Das Prinzip dieses sogenannten Adsorptionsspeichers ist bekannt: Als Speichermedium dient Silika Gel, vielen bekannt als in kleine Tütchen oder Kissen verpacktes Trockenmittel für feuchtigkeitsempfindliche Warensendungen. Das Kieselgel aus kleinen Kügelchen ist stark hygroskopisch, also Wasser bindend und hat mit etwa 600 m²/g eine außerordentlich große innere Oberfläche. Beim Trocknen (Desorption) nimmt es Energie auf, die es in Form von Wärmeenergie wieder abgibt, sobald es befeuchtet wird (Adsorption).
"Wir drücken unsere heiße Luft durch das Gel – zum Trocknen brauchen wir mindestens 80 Grad – dadurch wird es getrocknet und die Energie aus der Wärme gespeichert. Allerdings wird sie nicht in Form von Wärme gespeichert, der Speicher muss also nicht isoliert werden", nennt Kungl einen wesentlichen Vorteil gegenüber den gängigen Warmwasserspeichern.
Dass sich Adsorptionsspeicher bislang trotz dieses wesentlichen Vorteils nicht durchsetzen konnten, liegt schlicht und einfach am Preis. "Bisherige Systeme setzten etwa stark auf Vakuumtechnik, weil der Speicherprozess dann effizienter abläuft. Das macht sie nicht nur fehleranfällig, sondern auch teuer", erläutert Kungl. Das TAO-System dagegen arbeitet mit Umgebungsdruck. Zum Einsatz kommen konventionelle Materialien und konventionelle Lüftungstechnik.
"Die bisher erreichte Energiedichte liegt bei 133 Kilowattstunden pro Kubikmeter Speicherinhalt und damit schon recht nah am theoretischen Maximum von 165 kwh/m³", berichtet der Ingenieur stolz. Zum Vergleich: Das theoretische Maximum des Speichermediums Wasser liegt bei 70 kwh/m³.
Im Eisbär-Bau stehen drei große Speicherboxen mit Silka Gel zur Verfügung. Sie nehmen die Wärme der zugeführten Luft auf und können sie Monate später wieder an den Eisbär-Pavillon oder auch an einen anderen Ort abgeben, denn die Speicher sind mobil. Neben der saisonalen Speicherung sind aber auch kürzere Zyklen möglich bis hin zum Tag-Nacht-Betrieb. "Allerdings ist der Speicher etwas träge", räumt Kungl ein. Man müsse sehen, ob er langfristig als alleiniges Heizsystem in einem Gebäude bestehen könne. Das Silika Gel könne laut Hersteller ohne Probleme 2.000 Zyklen bewältigen. Auch hier werde man im Testbetrieb sehen, wieviele Zyklen tatsächlich möglich sind. Insgesamt sollen die Speicher im Zuge der weiteren Entwicklung noch kleiner und effizienter werden.
Für die Wärmedämmung des Eisbär-Baus war im Forschungsprojekt das Filderstädter Unternehmen Arnold Isolierungen zuständig. Sie erstellte aber nicht nur das Dämmkonzept und realisierte den Membranbau, sondern stellt auch die Solarkollektoren her. Für die Dachdämmung im Norden kam Polyesterflies zum Einsatz, auf der Südseite unter den Solarkollektoren bis zu 250 Grad temperaturbeständiger Mineralfaserfilz. "Insgesamt ist das Gebäude besser als Niedrigenergiestandard", weiß Kungl. Ein solcher energieeffizienter Membranbau ist ungewöhnlich, zählte die mangelhafte Wärmedämmung doch bisher zu den besonderen Nachteilen dieser Bauten.
von Silke Thole