Die Wärmepumpe mit einer Photovoltaikanlage zu kombinieren, ist eine besonders nachhaltige Heizvariante. Noch effektiver wird es mit einem Speicher für überschüssige Wärme. Herkömmliche wassergefüllte Pufferspeicher sind aber vergleichsweise ineffizient oder benötigen sehr viel Platz. Ein Schweizer Start-up präsentiert nun Wärmespeicher, die dank Phasenwechselmaterialien eine hohe Speicherkapazität erreichen und zugleich relativ platzsparend sind.
Wer sein Eigenheim mit einer Wärmepumpe heizt und zudem eine Photovoltaikanlage besitzt, kann die ohnehin schon umweltfreundliche Heizung auch noch mit selbst produziertem Sonnenstrom effizient betreiben. Natürlich lässt sich überschüssiger Strom auch mithilfe einer Solarbatterie speichern, doch wenn die PV-Anlage ohnehin zum Betrieb der Heizung gedacht ist, kann es kostengünstiger sein, mit dem Sonnenstrom die Wärmepumpe laufen zu lassen und nicht Strom, sondern überschüssige Wärme zu speichern.
Photovoltaik – Wärmepumpe – Pufferspeicher
Das häusliche Speichern von Wärme macht schon deshalb Sinn, weil man die Heizung dann jederzeit zu 100 % mit nachhaltigen Energien betreiben kann. Also auch dann, wenn die Sonne gerade nicht scheint und die PV-Anlage daher keinen Strom für die Wärmepumpe liefert.
Der Idealfall sieht also so aus: Die mit günstigem erneuerbaren Solarstrom betriebene Wärmepumpe liefert Raumwärme (und/oder Warmwasser), indem sie erneuerbare Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser anzapft, und wenn dabei mehr Wärme entsteht als gerade benötigt, wird diese im hauseigenen Pufferspeicher für spätere Einsätze vorgehalten. Sie wird also zeitversetzt an den in der Regel mit Wasser gefüllten Heizkreislauf des Hauses weitergeleitet.
Eine Schwachstelle in dieser Idealvorstellung sind allerdings die bislang dominierenden Pufferspeicher. Diese optisch an Litfaßsäulen erinnernden Behältnisse sind mit Wasser als wärmespeicherndem Medium gefüllt. Es gilt: je mehr Wasser, umso mehr Speicherkapazität. Schon für einen Vierpersonenhaushalt empfehlen Experten einen Wasser-Pufferspeicher mit mindestens 500 Liter Fassungsvermögen. Wenn die Wärmepumpe allerdings mit eigenem Solarstrom betrieben werden soll, ist auch eine solche Speicherkapazität schnell zu wenig, um an kalten Tagen die Zeiten zu überbrücken, in denen keine Sonne scheint. Um sicher zu gehen, müsste man noch größere Pufferspeicher installieren, was teuer ist und in vielen Haushalten an Platzgrenzen stößt.
Beim Schweizer Unternehmen Cowa Thermal Solutions hält man die herkömmlichen Pufferspeicher daher für ineffizient. Das Start-up mit Sitz in Root bei Luzern, das als Spin-off der Hochschule Luzern entstanden ist, hat neuartige, kompakte Wärmespeicher entwickelt, die eine signifikant erhöhte Speicherkapazität bieten sollen – bei gleichzeitig relativ geringem Platzbedarf.
Aufgrund ihrer patentierten Funktionsweise lassen sich diese Speicher nach Cowa-Angaben bis zu fünfmal kleiner dimensionieren als herkömmliche wasserbasierte Pufferspeicher mit vergleichbarer Leistung. Bei gleich großem Volumen bieten die Cowa-Speicher ein Mehrfaches an Speicherkapazität.
Salzhydrate als PCM
Cowa hat die „Compact Cell“-Speicher speziell für die Kombination mit Wärmepumpen entwickelt und empfiehlt ausdrücklich die Kombination mit Photovoltaikanlagen. Was ist nun das Besondere an der Technologie? „Das Kernstück unserer Technologie ist das Speichermaterial, das auf kostengünstigen Salzhydraten basiert“, erläutert Simon Maranda, Gründer und CEO von Cowa. „Diese haben eine vielfach höhere Speicherdichte als Wasser und machen unsere Wärmespeicher entsprechend leistungsfähiger.“
Da die Speicher nicht mit Wasser gefüllt sind, sondern eben mit den genannten Salzhydraten, lässt sich überschüssige thermische Energie aus der Wärmepumpe mit deutlich weniger Platzbedarf speichern. „Zudem ist das Material rezyklierbar und wird in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, was es besonders nachhaltig und wirtschaftlich macht“, ergänzt Maranda.
Wieso aber können Salzhydrate so viel Wärme speichern? Das funktioniert, weil sie als so genannte Phasenwechselmaterialien funktionieren. Über solche PCMs (Phase Change Materials) haben wir bereits im BaustoffWissen-Beitrag „ Was sind Latentwärmespeicher? “ informiert. PCMs werden in der Regel als mikroskopisch kleine Perlen hergestellt, die spezielle Wachse (Paraffine) oder eben Salze enthalten.
Das Besondere: Die Inhalte der Perlen schmelzen bei Temperaturerhöhung und nehmen dann viel Wärme auf. Fällt die Temperatur wieder ab, dann läuft der Vorgang umgekehrt ab. Da der Vorgang der Wärmespeicherung und -entladung mit einer Phasenumwandlung des Materials verbunden ist – von fest nach flüssig und umgekehrt – bezeichnet man solche Stoffe als „Phase Change Materials“ (PCM).
Bei den Compact Cells von Cowa basiert der beschriebene PCM-Effekt auf dem Schmelz- und Erstarrungsvorgang von Salzhydraten in den Speichergeräten. Konkret funktioniert der Speichervorgang so, dass das von der Wärmepumpe erwärmte Heizungswasser über einen Wärmeübertrager an das PCM weitergegeben wird. Dieses schmilzt und nimmt dabei die Wärme auf. Durch eine spätere Zufuhr von kühlerem Wasser lässt sich jederzeit wieder der Erstarrungsvorgang des PCM einleiten. Dann gibt das Material wieder Wärme ans Heizungswasser ab.
Nach Cowa-Angaben ist die Speicherung von überschüssiger Energie mit der PCM-Technologie deutlich kostengünstiger als die Stromspeicherung in elektrischen Batterien. Die Geräte seien zudem langlebig. Cowa verspricht mehr als 20 Jahre Lebensdauer ohne Kapazitätseinbußen.
SET-Award 2025
Für seine Entwicklung wurde Cowa dieses Jahr übrigens mit dem Start-Up Energy Transition Award ( SET-Award ) in der Kategorie „Clean Energy & Storage“ ausgezeichnet. Der von der Deutschen Energie-Agentur ( dena ) vergebene Preis geht alljährlich an junge Unternehmen aus aller Welt, deren Innovationen nach Ansicht der Juroren geeignet sind, die globale Energiewende voranzutreiben.
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Die Compact Cells bietet Cowa aktuell in drei Ausführungen an. Die Variante „Pufferspeicher“ stellt – im System mit Wärmepumpe und Photovoltaik – Wärme für die Gebäudeheizung bereit (Fußbodenheizung oder herkömmliche Raumheizkörper). Die Variante „Brauchwarmwasserspeicher“ speichert Energie nur für die Warmwasserbereitung. Der „Kombispeicher“ schließlich ist nach Cowa-Angaben die „weltweit kompakteste Lösung für Brauchwarmwasser und Heizung“.
