Wärmespeicher werden um Klassen besser

Seit Herbst vergangenen Jahres müssen Hersteller und Installateure die Vorzüge eines Pufferspeichers noch intensiver kommunizieren. Viele Warmwasserspeicher verlieren nämlich zu viel von der Energie, die sie eigentlich speichern sollten. Speicher bis 500 l müssen nach der EU-Verordnung 812/2013 seit Herbst 2015 ihre Energieeffizienzklasse ausweisen, ähnlich wie man das von der weißen Ware (Kühlschränke, Waschmaschinen etc.) kennt.

In diesem ersten Schritt ging es nur um die Effizienz-Kennzeichnung des angebotenen Speichers. Das heißt, es war noch keine Vorgabe, dass Pufferspeicher eine gewisse Energie-Effizienzklasse mindestens erreichen müssen. Das ist mit Beginn dieses Jahres nun anders: Ab 2017 müssen Speicher mit Volumen bis 2000 l mindestens die Energieeffizienzklasse C haben.

C-Klasse maximal erreichbar?

Für die Hersteller ist diese Anforderung mit der herkömmlichen Dämmtechnik kein Schreckgespenst. Die guten unter ihnen mussten also nicht befürchten, dass die Vorgabe die Speicher teurer machen würde, weil man in eine aufwendigere Isolierung hätte investieren müssen. Gerade für die Bioenergiebranche wäre das empfindlich gewesen – sind Pellet- und Scheitholzheizsysteme doch praktisch auf große Pufferspeicher angewiesen und die Systeme im Vergleich zu fossilen Anlagen ohnehin schon teurer.

Die Stellschrauben, an denen sich bezüglich der Dämmqualität drehen lässt, sind: Material der Isolierung, Stärke der Isolierung, Minimierung der Verluste durch z. B. Isolierkappen und Vermeidung der Verluste über Stutzen, Stellfüße und so weiter sowie zum Teil Anpassung der Nennvolumina der Speicher.

Derzeit erreichen die besten unter den Speichern mit herkömmlicher Dämmtechnik die geforderte Energieeffizienzklasse C (z. B. die „HDG System-Schichtspeicher PS/PS-R/PS-2R 500-2000“ von HDG-Bavaria, der „EnerVal“ von Hoval, der „KWB EmpaTherm“ von KWB, die Schichtpufferspeicher „SP“ und „SPS“ von Eta oder der „Pellaqua“ von Ökofen).

Dämmstoff-Arten kennen

Die meisten Hersteller verwenden als Dämmmaterial heute Polyester-Faservlies. Das Material passt sich durch seinen Aufbau an die Form des Speichers an und die sogenannten Kamineffekte werden vermindert. Der Kamineffekt ist eines der größten Probleme bei der Dämmung der Speicherwände. Wenn sich die Dämmung nicht genau an den Speicher schmiegt, entstehen Luftkanäle. Durch sie zieht Luft und nimmt dabei Wärme mit. Experten schätzen den Anteil der Wärmeverluste des Speichers, die auf das Konto der Kamineffekte gehen können, auf bis zu 20 %.

Ein Umweltaspekt kommt als Plus hinzu: Faservlies wird aus PET-Flaschen hergestellt, ist also ein Recyclingmaterial. Mit Faservlies sind bei der Wärmeleitfähigkeit Werte zwischen 0,036 und 0,041 W/mK erreichbar.

Verbundstoffe können diesen Wert noch leicht unterbieten. So setzt der österreichische Biomasse-Kesselhersteller Eta bei der Isolierung seiner Speicher serienmäßig auf eine Kombination aus einer 9 cm dicken Dämmung aus Neopor mit einer 1 cm dicken Vliesschicht, umgeben von einem Mantel aus Polystyrol. Neopor ist eine Weiterentwicklung des Dämmstoffs Styropor. Der Dämmwert dieser Kombination liegt bei 0,032 W/mK.

A-Klasse als neue Dimension

Wann Wärmespeicher auch serienmäßig um Klassen besser sein werden in der Energieeffizienz als der heutige Standard, ist allerdings nur eine Frage der Zeit. Die A-Klasse gibt es jedenfalls schon. Die Vakuum-Wärmedämmung (VWD) verspricht bis zu fünfmal bessere Isolierwerte als herkömmliche Speicher. VWD hört sich nach exotischer Technik an. Doch im Grunde genommen ist es ein lang vertrautes Prinzip. Denn in Miniaturform hat jeder seinen eigenen Vakuum-Speicher bereits zuhause: Die Thermoskanne dürfte in nahezu jeder Küche stehen. Der Aufbau von VWD-Speichertanks ist mit dem der Kannen vergleichbar. Es handelt sich um Speicher-in-Speicher-Systeme, die aus einem Innen- und einem Außentank aus Stahl bestehen. Zwischen den beiden Tanks befindet sich ein Hohlraum, Ringspalt genannt. Dieser ist bei den VWD-Speichern 20 cm dick und evakuiert. Das Vakuum reduziert die Luftwärmeübertragung des Speichers auf nahezu null. Um auch die Wärmestrahlung zu unterbinden, wird der evakuierte Ringspalt mit einem Absorber verfüllt, meist mit Perlit oder mit einem Füllstoffmix mit einem Anteil Perlit. Das Vulkangestein hat sich als effektiv bei der Unterbindung von Wärmestrahlung erwiesen, da es die Wärme absorbiert und remittiert.

Den VWD-Speichern gelingt dadurch der Sprung in eine neue Dämm-Dimension. „In der Theorie sind Werte bei der Wärmeleitfähigkeit von unter 0,005 W/mK denkbar, in der Praxis sind aktuell 0,008 W/mK möglich. Im Vergleich zur herkömmlichen Mineralwolle, die sich im Mittel bei ca. 0,040 W/mK bewegt, liegen wir damit um den Faktor fünf besser“, berichtet Michael Rieder, Geschäftsführer bei Sirch. Die Sirch Tankbau-Tankservice Speicherbau GmbH aus Kaufbeuren und die Schlosserei Hummelsberger GmbH aus Mühlendorf sind derzeit die einzigen Hersteller am Markt in Deutschland, die VWD-Speicher bauen und anbieten. „Rein theoretisch betrachtet wäre mit dem Vakuum-Pufferspeicher eine Effizienzklasse von sicherlich A++ erreicht“, ordnet Jürgen Melzer, Geschäftsführer bei der Schlosserei Hummelsberger, die Vakuum-Isoliertechnik zum Vergleich ein.

Raum für große Speicher

Allerdings benötigt VWD aktuell noch richtig große Größe. Hummelsberger fertigt derzeit Vakuum-Pufferspeicher von 2200 bis 50 000 l an, Sirch von 1000 bis 60 000 l. Das Unternehmen hat zwar schon einen Speicher mit 1000 l Volumen realisiert. Doch sowohl der preisliche Unterschied zum Standardspeicher als auch die zu erreichenden Dämmwerte bei kleiner Oberfläche sprechen bei der aktuellen Technik für große Vakuumspeicher ab zirka 5000 l Inhalt, sagt Rieder. Das macht die Vakuum-Technik für den Einsatz im herkömmlichen Einfamilienhaus scheinbar uninteressant. Doch nur auf den ersten Blick.

Denn es ist nicht mehr lang hin, dann werden Fast-Nullenergie-Gebäude Neubaustandard sein. Die europäische Gebäuderichtlinie EPBD schreibt vor, dass dieser Gebäudetypus, der die nötige Energie zur Deckung des Gesamtwärmebedarfs entweder selbst zu jedem Zeitpunkt erzeugt oder im Jahresmittel einen Fremdbezug durch Eigenerzeugung bilanziell ausgleicht, ab 2019 für öffentliche Gebäude gilt und ab 2021 für jedes Wohngebäude. Die nationalen gesetzlichen Vorgaben müssen mindestens zwei Jahre davor jeweils fertig sein, um Investoren und Bauherren die nötige Planungssicherheit zu geben. In Deutschland soll das in einem gemeinsamen Gesetz für Effizienz und erneuerbare Energien, in dem die Energieeinsparverordnung (EnEV) und das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG) zusammengeführt sind, verankert werden.

Deckungsfrage Restenergie

Zu betrachten wäre, wie die EPBD Fast-Nullenergie näher beschreibt, und zwar so: „Der fast bei null liegende oder sehr geringe Energiebedarf sollte zu einem ganz wesentlichen Teil durch Energie aus erneuerbaren Quellen – einschließlich Energie aus erneuerbaren Quellen, die am Standort oder in der Nähe erzeugt wird – gedeckt werden.“ Wenn der Energiebedarf möglichst über Erneuerbare gedeckt werden soll, die zudem am Gebäude oder auf dem Grundstück selbst erzeugt werden oder in der Nähe (Nahwärmenetze), dann sind die aussichtsreichsten Kandidaten die Solarenergie – in Form von Photovoltaik (Power to Heat) oder Solarthermie – und die Umweltwärme. Die Installation einer Bioenergie-Anlage wäre ein Fall für die Deckungsfrage noch benötigter Restwärme.

Vor diesem Hintergrund ist das Forschungsprojekt Storage External (StoEx) interessant, denn es könnte zur Etablierung höherer Speicher-Effizienzklassen als Standard beitragen. In dem vom Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) geförderten Projekt, das seit 2012 betrieben und Ende 2015 abgeschlossen wurde, ging es um die Entwicklung großvolumiger, preiswerter Warmwasserspeicher mit einer Vakuumwärmedämmung zur Außenaufstellung. Die Projektpartner, das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) Stuttgart und Sirch stellten ihren Abschlussbericht im August vergangenen Jahres vor. Speichertechnische Inhalte des Projekts waren unter anderem Materialuntersuchungen zum Füllmaterial für die Ringspalte und zur transparenten Wärmedämmung. Es wurde außerdem an einem Schichtbe- und -entladesystem gearbeitet. Zusätzlich untersuchten die Projektpartner, wie sich VWD-Speicher im Langzeitbetrieb von bis zu 50 Jahren verhalten.

Auf der Umsetzungsseite wurden verschiedene Szenarien mit unterschiedlich hohen solarthermischen Deckungsraten des Gesamtwärmebedarfs durchgespielt und die Wirtschaftlichkeit untersucht: Durchgespielt wurde VWD in einem Solar-Aktivhaus (Einfamilienhaus, 150 m² Wohnfläche), einem Kindergarten (Nichtwohngebäude/öffentliches Gebäude) sowie ein Nahwärmenetz mit 100 Wohneinheiten (Einfamilienhäuser).

Nebenbei bemerkt: StoEx spielt also praktisch in den Marktsegmenten Szenarien durch, denen die Autoren des „Fahrplan Solarwärme“ des Bundesverbands Solarwirtschaft (BSW-Solar) zum Zeitpunkt der Veröffentlichung Mitte 2012 erhebliches Wachstumspotenzial versprachen. Neben dem klassischen Marktsegment der Ein- und Zweifamilienhäuser sahen sie mittelfristig neue Einsatzbereiche im Mehrfamilienhaus- und Nicht-Wohnbereich. Dass dieses Wachstum bisher nicht eingetreten ist, sondern sogar eine Schrumpfkur durchlief, spricht aber nicht gegen die Prognose, sondern eher für den Bedarf nach neuen Wegen. Einen geht StoEx: Es holt die Warmwasserspeicher aus den Gebäuden und platziert sie draußen. Das kann gemacht werden, da VWD-Speicher selbst bei niedrigen Außentemperaturen kaum Wärme verlieren.

Zu Recht weisen die Autoren in ihrem Bericht darauf hin, dass die Positionierung von sehr großen Warmwasserspeichern innerhalb eines Gebäudes einige gravierende Nachteile mit sich bringt: Unter anderem verringert sich die nutzbare Fläche und die Möglichkeiten der Gebäudekonstruktion sind eingeschränkt. Des Weiteren können Innenräume im Sommer überhitzen, da die Wärmeverluste des Warmwasserspeichers direkt in das Gebäude abgegeben werden. Wenn man in Betracht ziehen muss, dass sich Speicher dieser Größenordnung über mehrere Stockwerke erstrecken (vom Keller/Erdgeschoss bis zum Dachboden), dann fällt es nicht schwer zu erkennen, dass die Einbringung solcher Warmwasserspeicher im Gebäudebestand im Zuge einer Heizungssanierung eine praktisch unmögliche Aufgabe ist. Damit böte die Außenaufstellung von Speichern hohen solaren Deckungsraten sogar im Gebäudebestand eine Chance: „Bei vielen Gebäuden, insbesondere Ein- und Mehrfamilienhäusern, die in der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts erbaut wurden und heute durch eine energetische Modernisierung eine relevante Energieeinsparung erwarten lassen, ist um das Gebäude eine ausreichende Aufstellfläche vorhanden, sodass die Außenaufstellung eines Warmwasserspeichers möglich ist“, resümieren die StoEx-Autoren.

Weniger Volumen nötig

Die Studie zeigt auf eindrucksvolle Weise auch, wie dank um Faktor fünf verringerter Wärmeverlustraten das benötigte Speichervolumen stark verringert werden kann, bei gleichbleibender solarer Deckungsrate: Bei der Simulation Solar-Aktivhaus war, um beispielsweise einen solaren Deckungsanteil von 80 % zu erreichen, bei VWD und Außenaufstellung ein Volumen von 22 m³ notwendig, im Falle eines konventionellen Speichers bei Innenaufstellung hingegen 38 m³. Im Fall einer Außenaufstellung wurde diese Deckungsrate bei Einsatz eines konventionellen Speichers erst gar nicht erreicht. Hier war bei einem maximalen solaren Deckungsanteil von 62 % Ende (Im Szenario Solar-Aktivhaus wurden 70 m² Flachkollektoren in Südausrichtung angenommen, bei einem Anstellwinkel von 60 Grad).

In der Simulation des Kindergartens (100 m² Flachkollektoren in Südausrichtung, Anstellwinkel 45 Grad) reichte für einen solaren Deckungsanteil von 40 % ein außenaufgestellter VWD-Speicher mit einem Volumen von 13 m³. Ein konventioneller Wärmespeicher müsste dafür, außen aufgestellt, 75 m³ mitbringen.

VWD keine Zukunftsmusik mehr

Über eine abgespeckte Form ist die VWD bereits in den kleinen Volumenbereich eingezogen. So stellte der Solarthermiehersteller CitrinSolar im März letzten Jahres mit seinem Speicher „CS A-Vakuum Iso+“ einen 1000-l-Speicher vor mit der Energieeffizienzklasse A. Die erreicht das Unternehmen mithilfe von 2,5 mm dünnen Vakuum-Dämm-Paneelen, die zwischen zwei Lagen Faservlies eingefügt werden. Gegenüber einem Solarspeicher der Effizienzklasse C soll sich der Wärmeverlust des Vakuum-Speichers halbieren. Die Qualität des Vakuums könne sich zwar nach zehn Jahren langsam verringern, heißt es beim Hersteller, allerdings sei die Wärmeleitfähigkeit der Platten selbst nach vollständigem Verlust des Vakuums immer noch um den Faktor zehn geringer als diejenige herkömmlicher Dämmstoffe.

Neben der Solarthermie, die sich über VWD zu (neuer) Größe aufschwingen könnte, bleibt auch für Pelletfeuerungen die Frage nach Pufferspeichern bestehen, für Scheitholzfeuerungen sowieso. Zwar werden Speicher im Kontext von Pellets in Zukunft weniger notwendig sein, weil die Feuerungen inzwischen so gut modulieren, dass man auf Pufferspeicher auch verzichten könnte. „Es gibt eine leichte Tendenz zu Anlagen ohne Pufferspeicher“, sagt Philipp Tomaschko, Produktmanager bei Ökofen. „Wenn jedoch auch eine Solaranlage vorhanden ist, macht ein Puffer absolut Sinn.“ Holzpelletfeuerungen sollten mit Pufferspeichern kombiniert werden. Das ist keine antiquierte Floskel, sondern bleibt die Empfehlung. Und sie werden mit der Zeit in immer höhere Klassen kommen. Die Effizienzklasse C ist da nur der Anfang.

Dittmar Koop ist Dipl.-Ing. der Raum- und Stadtplanung (TU). Seit 2004 arbeitet er als freiberuflicher Fachjournalist für erneuerbare Energien. Seine Schwerpunkte sind Bioenergie, Photovoltaik und die Solarthermie. E-Mail: info@dittmar-koop.de