Energiesäule aus Beton als Energiequelle für die Wärmepumpe

Eine Luftwärmepumpe nutzt z.B. die Außenluft als Energiequelle. Jede Wärmepumpe braucht eine entsprechende Energiequelle, um das Temperaturniveau anzuheben. Je geringer der Temperaturhub ausfällt, umso höher ist der Wirkungsgrad (COP), was zu geringem Stromverbrauch führt. Die Wärmepumpe muss ihre größte Leistung in den kalten Wintertagen zeigen. Infolge der geringen Sonnenscheindauer wird zu diesem Zeitpunkt auch wenig erneuerbarer Strom erzeugt. Um diesem Problem zu entgehen, sollte sowohl Strom als auch Wärme gespeichert und bevorratet werden.

Da Stromspeicher derzeit unwirtschaftlich sind, braucht es Alternativen. Dabei liegt die Alternative in der Gestalt von Wärmenergie auf der Hand, denn Sonnenstrahlen erzeugen auch Wärme, die gesammelt und gespeichert wird. Wir brauchen für eine erfolgreiche Energiewende sowohl den Nutzen aus dem Strom als auch aus der Wärme.

Ein neues Konzept basiert auf der Idee, Wärme aus erneuerbarer Energie einzusammeln und zu speichern, um dann der Wärmepumpe als Quelle zur Verfügung zu stehen. Dazu dienen Absorber aus Beton in Verbindung mit integriertem Wärmespeicher. Die nach der Himmelsrichtung orientierten Seitenflächen der Säule fangen die Sonnenstrahlen ein. Die vertikale Anordnung der Absorber sorgt insbesondere bei flach stehender Sonne im Winter für den optimalen Einfallswinkel der Strahlung. Die Energiesäule besteht aus einer Stahlbetonstütze mit einem großen quadratischen Querschnitt. Die auf den Oberflächen absorbierten Strahlen werden über einen Wärmetauscher abgeführt und direkt in dem Betonquerschnitt gespeichert. Zwischen Absorber und dem massiven Betonquerschnitt ist eine Dämmung angeordnet, um die Wärmeverluste des Speichers so gering wie möglich zu halten. Um die Energieausbeute an der Oberfläche zu steigern, wird vor den Oberflächen bei geringem Abstand eine Verglasung angebracht. Dieser sogenannte Gewächshauseffekt sorgt dafür, dass die von der Strahlung erzeugte Wärme im Zwischenraum verbleibt und nicht durch Konvektion entweichen kann.

Säule und Fundament werden als vorgefertigte Betonbauteile hergestellt. Die Säule wird mit dem Fundament verschraubt. Der massive Fundamentblock wird idealerweise ebenfalls als Wärmespeicher genutzt. So werden die eingesetzten Betonbauteile multifunktional genutzt, als statisches Element, als Absorber und als Wärmespeicher.

Zur Steigerung der Wärmespeicherkapazität des Betonwerkstoffs wurden längliche Behälter eingebaut, die mit einem Phasenwechselmaterial (PCM) befüllt sind. PCM ist ein latenter Wärmespeicher, der Wärmeenergie ohne Temperaturveränderung speichert. Die Abgabe der Energie erfolgt bei konstantem Temperaturniveau. Bei einem Anteil des PCM-Materials von ca. 20% des Betonvolumens wird die Wärmespeicherkapazität von Beton um den Faktor 15 gesteigert. Die Kombination von PCM-Einbauteilen mit Beton erweist sich doppelt effektiv. Das Speichervolumen für die Wärme wird massiv gesteigert und die Energie steht mit einer festgelegten Temperatur zur Verfügung.

Die Energiesäule stellt die ideale Wärmequelle für den Betrieb mit einer Wärmepumpe dar. Die Wärmespeicherung erfolgt zu dem Zeitpunkt, wenn die erneuerbare Energie vorhanden ist. Zeitversetzt wird die Wärme dann genutzt. Die gespeicherte Wärme reduziert den Einsatz der Wärmepumpe auf ein Minimum und reduziert den Stromverbrauch. Die Kombination von Wärmespeicher und Wärmepumpe erreicht i.d.R. ein System-COP von > 10. Das System passt sich an die reduzierte Verfügbarkeit von Strom und Wärme in den Wintermonaten an. Wir profitieren damit von der unendlich viel vorhandenen Energie, die oftmals nicht zum gewünschten Zeitpunkt vorliegt. Die Kombination von Strom und Wärme ermöglicht eine autarke Energieversorgung mit ausschließlich erneuerbarer Energie. Das Konzept trägt zu einer weitgehend unabhängigen Energieversorgung bei.