ENERGIEWENDE

Energiewende – Es gibt keine Alternative!

Erst wenn Atom- und Kohlekraftwerke der Vergangenheit angehören und stattdessen regenerative Energie aus Wind, Wasser, Sonne, Biomasse und weitere Entwicklungen für den Strom sorgen, kann die weiter fortschreitende Erderwärmung deutlich reduziert werden.

Bis 2022 sollen in Deutschland alle Atomkraftwerke stillgelegt werden. Aktuell sind noch acht in Betrieb. Danach wird der Strom nur noch aus den heimischen erneuerbaren Energien und bestehenden Stein- und Braunkohlekraftwerken sowie durch Erdgas und Kraft-Wärme-Kopplung gewonnen.

2030 will sich Deutschland von allen Braunkohle- und Steinkohlekraftwerken verabschieden. Die erneuerbaren Energien sollen bis dahin rund 60 % des deutschen Stroms liefern. Ein Energiedefizit soll trotzdem nicht entstehen, da die Energie zunehmend effizienter genutzt werden soll. Durch den Aufbau eines dezentralen Netzes flexibler Kraftwerke können wir bis 2050 auf 100 Prozent erneuerbare Energien umsteigen – so ist der Plan. Strom und Wärme werden nahe am Verbrauchsort erzeugt und über ein lokales Netz an alle Verbraucher verteilt. Über diese sogenannte Kraft-Wärme- Kopplung können über 80 Prozent der Eingangsenergie genutzt werden. Herkömmliche zentrale Kraftwerke, die mit fossilen oder nuklearen Energieträgern betrieben werden, sind nur halb so effektiv.

Alternative Speicher und Heizsysteme

Der CO2-freie Sommer-Speicher

Jeder kennt sie, die kleinen Kügelchen im weißen Säckchen, die man beim Kauf hochwertiger Elektronikgeräte oder Lederwaren in der Verpackung findet: Silicagel. Als stark hygroskopisches, wasserliebendes Material dient es zum Trockenhalten der wertigen Waren. Doch noch ein weiteres Einsatzgebiet für die kleinen Stars mit der großen inneren Oberfläche hat sich herauskristallisiert: Das Kühlen und Heizen im Wohnungsbau. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen wie Erdöl oder Gas ist Silicagel ein unbrennbarer, nicht riechender, umweltfreundlicher und regenerierbarer Wertstoff.

Silicagel-Kügelchen zum Heizen und Kühlen
Kleine Stars: Silicagel-Kügelchen zum Heizen und Kühlen
Die Stuttgarter Firma TAO Trans Atmospheric Operations GmbH hat auf Grundlage von Silicagel eine neue Speichervariante für den Einsatz in Häusern und Industrieanlagen gebaut und fünf Jahre lang getestet. Die modularen und mobilen Speicher heizen verlustfrei mit der Sonne des Sommers im Winter. Dafür werden die Silicagel-Kügelchen mit etwa 5 mm Durchmesser und mit etwa 600 m²/g einer außerordentlich großen inneren Oberfläche in mehreren Lagen im luftdichten Speichermodul untergebracht. Das Silicagel-Granulat wird dazu in lockerer Schüttung von geeigneten Abstandsgeweben gehalten und wird von optimierten Luftkanälen durchzogen.

Das Prinzip des Sonnenspeichers

Das Prinzip dieses sogenannten Sorptionsspeichers ist bekannt. Es beruht auf Desorption und Adsorption. Als Desorption bezeichnet man die Durchströmung mit trockener, sehr heißer Luft. Sie bewirkt die Trocknung der Adsorbentien im Speicher. Dabei kühlt die Luft ab und befeuchtet sich, indem sie Wasser aus den Adsorbentien aufnimmt. Dieser Prozess dient der Erzeugung von trockenem Silicagel-Granulat als Vorbereitungsschritt für die Trocknung und die Heizung. Die dazu erforderliche heiße Luft wird durch solarthermische Kollektoren oder durch Industrieabwärme bereitgestellt. Die Adsorption bezeichnet man die Durchströmung der Adsorbentien mit warmer und feuchter Luft. Dabei entzieht das Granulat der Luft die Feuchtigkeit und die Luft wird erwärmt. Dieser Prozessteilschritt wird zum Heizen eingesetzt.

Prinzip-Skizze des Versuchsgebäudes mit Speicheranordnung
Prinzip-Skizze des Versuchsgebäudes mit Speicheranordnung

Als Adsorbens hat TAO sich für Silicagel statt bspw. für ein Zeolith entschieden, da es mit relativ niedrigen Temperaturen bis 120 Grad arbeitet. Doch nicht jedes Silicagel ist geeignet. Zusätzlich muß es vor dem Einfüllen in den Speicher speziell vorbereitet und bearbeitet werden. Kenntnisse, die in den vergangenen 5 Jahren des Probebetriebs der Speicher durch Erfahrung optimiert wurden. Die Speicher selbst arbeiten nicht im Vakuum, sondern unter Umgebungsdruck. Und da die Energie für die Heizung nicht in Form von Wärme gespeichert wird, benötigen die Speicher auch keine spezielle Isolierung. Nur Luftdicht gegen Feuchte müssen sie sein. Das System ist modular aufgebaut. Die Module sind mit einer hocheffizienten optimierten Luftführung versehen, die bei TAO entwickelt wurde. Die beladenen Speichermodule lassen sich dezentral lagern und flexibel nach den tageszyklischen oder saisonalen Erfordernissen einsetzen.

Ein „Eisbär-Bau“ als Testgebäude​

TAO hatte zusammen mit sechs Forschungspartnern ein spezielles Demonstrationsgebäude, das als temporärer Membranbau ausgeführt wurde, in Denkendorf bei Stuttgart aufgebaut. Das preisgekrönte Gebäude mit dem Namen „Eisbär-Bau“ war ab dem 21.12.2012 in Betrieb und wurde am 14.1.2013 offiziell durch Baden-Württembergs Umweltminister Franz Untersteller eingeweiht. Im vom Land Baden-Württemberg und ….. geförderten Verbundforschungsprojekt konnte das Testgebäude fast fünf Jahre lang mit den TAO Speicher getestet und erfolgreich betrieben werden.
Das temporäre Versuchsgebäude in Denkendorf bei Stuttgart
Das temporäre Versuchsgebäude in Denkendorf bei Stuttgart


Im Testgebäude, das als Konferenzraum genutzt wurde, standen drei große Speicherboxen mit Silica-Gel zur Verfügung. Sie nahmen die Wärme der zugeführten Luft auf und konnten sie Monate später verlustfrei wieder zum Heizen abgeben. Auch an einem anderen Ort, denn die Speicher sind mobil und modular aufgebaut. Das Gebäude wurde mit allen notwendigen Komponenten zur Luftführung und zur Beheizung des Gebäudes sowie zur Erfassung der Prozessdaten ausgestattet.
Mobile TAO-Speichermodule des Silicagel-Speichers
Mobile TAO-Speichermodule des Silicagel-Speichers
Die Regelung des gesamten Klimasystems erfolgte über eine flexible Steuerung.

Der Markt für Tiny Houses und Industrieanlagen

Die Diskussion um die Einfuhr einer CO2-Steuer belebt auch das Interesse am CO2-freien Silicagel-Speicher. Was in vergangenen Zeiten der sogenannte Heizungsraum war, wäre heutzutage der Platz des Silicagel-Speichers. Ein Silicagel-Speicher könnte im Fundament, im Keller oder auch begehbar außerhalb eines Hauses oder unterirdisch im Garten gebaut werde.

Der neue TAO-Silicagel-Speicher kann pro m³ Raum ca. 200 kWh speichern. Er kann ohne Schwierigkeiten industriell gefertigt werden und an vorhandene Raum-Geometrien angepasst werden. Gemeinsam mit einem Warmluftkollektor auf dem Dach, der als Vakuumkollektor ausgeführt sein kann, ist die natürliche Form der Heizung mit diesem System eine Warmluftheizung, die auf einfachste Weise mit einer Klimatisierung verbunden werden kann. Die bisher erreichte Energiedichte liegt bei 133 Kilowattstunden pro Kubikmeter Speicherinhalt und damit nah am theoretischen Maximum von 165 kwh/m³. Im Vergleich liegt das theoretische Maximum des Speichermediums Wasser weit darunter bei 70 kwh/m³.

Das Testgebäude mit flexiblen Solarkollektoren auf dem Dach und den TAO-Speichern im Inneren
Das Testgebäude mit flexiblen Solarkollektoren auf dem Dach und den TAO-Speichern im Inneren

Partner gesucht für innovative Haus- und Industriekonzepte

Derzeit arbeitet TAO in Stuttgart an der Umkehrung des Wärme-Prozesses: der Kühlung. Auch dafür ist Silicagel ideal. Auf Grundlage der kleinen Kügelchen wird derzeit eine innovative Klimafassade entwickelt.

Gemeinsam mit einem Partner könnte jetzt dieses Silicagel-Klimakonzept adjustiert und umgesetzt werden. Dafür wurde von TAO bereits eine zukunftsweisende, spannende Designidee für ein „Tiny House“ entwickelt. Das Haus wurde aus nachhaltigen Materialien konzipiert und könnte bspw. eine Wohnfläche von bis zu 100 m² haben. Es handelt sich um ein Niedrigenergiehaus mit einem Heizbedarf von 5.500 kWh/a. Der dazugehörige Heißluftkollektor auf dem Dach wäre dann ca. 4,9 m² groß. Von dort wird die Warmluft über ein Rohrleitungssystem bspw. in den Speicher im Keller geführt. Dieser hat die Kapazität, die Silicagel-Füllung zweimal Mal pro Jahr komplett zu trocknen. Die Speicher werden im Winterhalbjahr zudem bei Sonnenschein „zwischengetrocknet“, so dass auch neben einer saisonalen Speicherung ein Tages-Nacht-Zyklus möglich wäre. Der geplante „Heizungsraum“ mit dem Speicher und seiner Silicagel-Füllung hat eine Größe von ca. 3 x 3 m.

Aber auch für Industrieanlagen mit nutzbarer Abwärme wäre ein Silicagel-Speicher gut geeignet. Pizzerien, Bäckereien, Reinigungen – überall dort, wo viel warme oder heiße Luft als Prozesswärme übrig ist, kann der modulare und mobile TAO-Speicher Wärme sammeln und später wieder verlustfrei an gleicher oder anderer Stelle zum Heizen und Kühlen bereitstellen. So könnte eine Bäckerei mit ihrer Abwärme über den Silicagel-Speicher einen benachbarten Kindergarten heizen oder kühlen. Und es gibt noch viel mehr spannende Ideen für eine Co2-freie Wärmenutzung…