Mit Vakuum und Vulkangestein Wärme speichern

Um den Anteil der Solarthermie in der Wärmeversorgung zu erhöhen, sind effizientere Speicher eine wichtige Voraussetzung. Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE) hat in Zusammenarbeit mit dem Stahl- und Metallbaubetrieb Hummelsberger einen Speicher entwickelt, dessen Hülle eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein Vakuum zwischen Innen- und Außentank sowie eine Perlitpulver-Füllung im Zwischenraum ermöglichen die guten Dämmwerte.

Anders als Wärmeleitung und Konvektion findet Wärmestrahlung auch im Vakuum statt: Jeder Körper strahlt elektromagnetische Wellen mit einem für seine Temperatur charakteristischen Spektrum ab und befindet sich so im Energieaustausch mit seiner Umgebung. Um diesen Mechanismus zu minimieren, wird in den Ringspalt das poröse und daher kaum wärmeleitende Vulkangestein Perlit eingebracht. Die Strahlung wird in der Pulverschüttung absorbiert und homogen in alle Richtungen reemittiert. Zusätzlich findet Streuung an den Pulverkörnern statt. Dadurch reduziert sich die Wärmestrahlung auf die Außenwand des Behälters drastisch.

Die Perlit-basierte Vakuumsuperisolation (VSI) dämmt bei 100 °C etwa fünffach besser als trockene konventionelle Wärmeisolation bei optimalem Einbau. Die niedrigste erreichte Wärmeleitfähigkeit des Perlits betrug bei Speichertemperaturen von ca. 100 °C im Labor etwa 0,008 W/mK. Bei 200 °C Speichertemperatur werden etwa 0,011 W/mK erreicht. Ein bei der Firma Hummelsberger installierter 16,5 m³ Prototyp erzielte im Winter über einen Messzeitraum von zwei Monaten 0,009 W/mK bei 90 K über Umgebungstemperatur, das entspricht nur 0,2 K Abkühlung pro Tag. In diesem Wert sind Anschlussverluste bereits enthalten. Wärmebrücken beim VSI-Speicher sind die Anschlüsse für Solaranlage und Heizungssystem sowie die Befestigung des Innentanks im Außentank. Da die Leitungen und Speicherhalterungen sich über lange Strecken im evakuierten Perlit befinden oder aus geringleitendem Material bestehen, beträgt ihr Anteil an den berechneten Gesamtverlusten nur 0,3 %. Eine weitere Ursache für diesen geringen Wert ist die große Speicheroberfläche im Vergleich zur Querschnittsfläche der Rohrleitungen.

Perlit ist ein natürlich vorkommendes Mineral vulkanischen Ursprungs. Das harte Grundmaterial Obsidian („vulkanisches Glas“) wird durch Alterung und Feuchtigkeitsaufnahme zu sogenanntem Rohperlit umgewandelt. Dieses hat einen relativ hohen Wassergehalt. Das im Tagebau abgebaute Rohperlit weist eine Dichte von 900 bis 1.000 kg pro Kubikmeter auf und kann als fast unerschöpflicher Rohstoff bezeichnet werden. Für die weitere Verwendung wird das Rohperlit auf 850 bis 1000 °C aufgeheizt. Dadurch verdampft das gespeicherte Wasser aus dem Material und erzeugt eine mikroporöse Struktur. Danach wird das Rohperlit abgekühlt und erlangt dadurch seine mechanische Stabilität zurück. Das so behandelte „geblähte Perlit“ hat, verglichen mit dem Rohmaterial, eine wesentlich geringere Dichte von 30 bis 240 kg/m³. Die geringe Dichte und die hohe Porosität machen das geblähte Perlit zu einem für eine Vakuumsuperisolation geeigneten Material mit geringer Festkörperwärmeleitung. Weitere positive Eigenschaften des Perlits sind der niedrige Preis von etwa 50 Euro pro Kubikmeter und die Temperaturbeständigkeit bis 800 °C. Zudem ist es ungiftig und nicht brennbar. Perlit hat eine hohe Porosität und daher relativ gute Dämmeigenschaften auch ohne Evakuierung. Eine zusätzliche kostengünstige Evakuierung ins Feinvakuum (< 1 mbar) reicht in Kombination mit dem Vulkangestein zur totalen Unterdrückung der Gaswärmeleitung aus.

Der vakuumsuperisolierte Heißwasserspeicher kann über mehrere Wochen oder Monate Wärme speichern. So lassen sich bei kleinen und mittelgroßen Bestandsgebäuden mit Niedrigenergiehausstandard hohe solare Deckungsanteile erreichen. Der Langzeitwärmespeicher wird bereits in mehreren Ein- und Mehrfamilienhäusern eingesetzt.

ZAE / LK