Gemäss dem Bundesamt für Energie ist der Gebäudesektor für rund ein Viertel der Schweizer Treibhausgasemissionen verantwortlich. Das liegt hauptsächlich daran, dass nach wie vor mehr als die Hälfte der Wohnbauten mit Öl oder Gas beheizt wird. Um diese Emissionen zu senken, sollen künftig erneuerbare Energieträger die Wärmeversorgung übernehmen.

Im Winter, wenn wir am meisten Wärme benötigen, wird am wenigsten Solarenergie produziert.

Das Problem: Im Winter, wenn wir am meisten Wärme benötigen, wird am wenigsten Solarenergie produziert. Im Sommer dagegen gibt es viel Solarstrom, aber nur einen geringen Wärmebedarf. Hier setzt die Idee des Wärmespeichers an: Er nimmt im Sommer Wärme auf und gibt sie im Winter wieder ab. So lässt sich der winterliche Wärmebedarf mit Energie decken, die im Sommer davor gewonnen wurde.

Wasser als Speichermedium

Bei den meisten Wärmespeichern kommt Wasser als Speichermittel zum Einsatz. Das ist keine neue Idee – seit Jahrzehnten dient es bei Zentralheizungen zur Verteilung der Wärme im Gebäude.

Viele attraktive Eigenschaften

Ein wesentlicher Grund für die verbreitete Nutzung von Wasser als Speichermedium ist seine hohe spezifische Wärmekapazität, die etwa 4,2 kJ/(kg·K) beträgt. Für die Erwärmung von einem Kilogramm Wasser um ein Kelvin sind also 4,2 kJ nötig. Auch in Form von Eis (2,06) oder Dampf (2,08) kann Wasser deutlich mehr Wärme speichern als viele andere Materialien. Daneben verfügt Wasser aber noch über weitere Eigenschaften, die es zu einem idealen Trägermedium machen:

• Wasser ist (zumindest bei uns) kostengünstig und überall erhältlich.
• Wasser kann Wärme schnell und beliebig oft aufnehmen und wieder abgeben.
• Wasser ist ungiftig und stabil, es altert also nicht und geht nicht kaputt.
• Wasser lässt sich einfach transportieren (z. B. durch Rohre).
• Wasser ist ein schlechter Wärmeleiter, solange es nicht gestört (aufgewirbelt) wird.

Niedertemperaturspeicher

Wärmespeicher lassen sich danach unterscheiden, auf welchem Temperaturniveau sie die Wärme speichern. Niedertemperaturspeicher funktionieren namensgemäss mit verhältnismässig tiefen Temperaturen. Das hat den Vorteil, dass die Wärmeverluste während der Speicherung gering sind, weil die Temperatur des gespeicherten Wassers nicht viel höher ist als die der Umgebung. Dadurch muss der Speicher nicht gedämmt werden, was die Kosten senkt.

Nachteil: Die gespeicherte Wärme lässt sich meist nicht direkt nutzen, sondern muss erst mittels Wärmepumpe auf das erforderliche Temperaturniveau für die Beheizung oder das Warmwasser gebracht werden. Das geht mit einem gewissen Stromverbrauch einher.

Erdspeicher

Erdwärmesonden und ähnliche Technologien nutzen das thermische Potenzial des Erdreichs. Sie können aber nicht nur als Energiequelle dienen, sondern auch zur Speicherung von Energie. Dazu lädt man sie im Sommer mit Wärmeenergie auf, die zum Beispiel aus überhitzten Gebäuden entnommen werden kann, was diese gleichzeitig abkühlt. Im Winter dient die eingelagerte Wärme dann als Energiequelle für das Beheizen der Gebäude.

Ein Beispiel für diese Art der Doppelnutzung ist das Suurstoffi-Areal in Rotkreuz. Die Erdsonden sind dort über ein Anergie-Netz verbunden und werden sowohl für das Heizen wie auch für das Kühlen genutzt.

Aquiferspeicher

Eine andere Möglichkeit der Niedertemperaturspeicherung bieten Aquifere bzw. Grundwasserleiter. Damit das Grundwasser als thermischer Speicher genutzt werden kann, müssen gewisse geologische Bedingungen wie die Undurchlässigkeit der umgebenden Schichten gegeben sein. Im Sommer wird Wasser aus einem sogenannten «kalten Brunnen» gepumpt, erwärmt und über einen «warmen Brunnen» wieder in den Aquifer zurückgeführt. Im Winter kann dieses warme Wasser dann für die Beheizung von Gebäuden verwendet werden. Aquiferspeicher sind insbesondere in Holland weit verbreitet, weil dort günstige geologische Bedingungen vorherrschen. In der Schweiz nutzt die Gemeinde Riehen bei Basel bereits seit mehr als 30 Jahren einen Aquiferspeicher für die Versorgung des Fernwärmenetzes.

Eisspeicher

Eisspeicher machen sich eine spezielle Eigenschaft des Wassers zunutze: Es setzt beim Phasenübergang von seiner flüssigen in die feste Form hohe Energiemengen frei. Die Umwandlung von Wasser zu Eis bei 0 °C setzt zum Beispiel gleich viel Energie frei wie die Abkühlung von Wasser mit 80 °C auf 0 °C. Die bei der Eisbildung entstehende Wärme kann man deshalb zum Heizen nutzen. Umgekehrt gibt das Eis beim Schmelzprozess Kälte ab, mit der man kühlen kann. Angewendet wird diese Art der Speicherung etwa im Gebäudekomplex der Genossenschaft La Cigale in Genf.

Nutzwärmespeicher

Im Gegensatz zu den Niedertemperaturspeichern betreibt man Nutzwärmespeicher auf einem höheren Temperaturniveau, für Gebäudeheizungen oft im Bereich von 40 bis 90 °C. Dadurch kann die gespeicherte Wärme ohne Einsatz einer Wärmepumpe direkt genutzt werden. Der Nachteil ist, dass die Wärmeverluste während der Speicherung höher sind, weil der Temperaturunterschied zur Umgebung grösser ist.

Oberirdische Wärmespeicher

An der Oberfläche verbaute Wärmespeicher bestehen häufig aus Stahl. Sie speichern in der Regel Wasser mit einer Temperatur zwischen 10 und 95 °C. Die Behälter haben aus Stabilitätsgründen meist eine zylindrische Form. Wenn der Speicher innerhalb eines beheizten Gebäudes steht, tragen die Wärmeverluste während der Heizperiode zur Beheizung bei. Im Freien sind die Verluste dagegen nicht nutzbar, und daher muss der Behälter dort möglichst gut gedämmt sein, um die Wärmeverluste gering zu halten.

Ein bekanntes Beispiel für einen oberirdischen Nutzwärmespeicher ist der «Swiss Solartank» von Jenni Energietechnik. Die Firma aus dem Emmental hat ein auf die Speicherung von Solarenergie ausgerichtetes Produkt entwickelt, das auch in Fernwärmenetzen oder Kälteanlagen zum Einsatz kommt. Der Solartank ist in diversen Grössen mit Kapazitäten von einigen Hundert bis zu mehr als 300’000 Litern erhältlich. Er verfügt über einen integrierten Boiler, in dem die durch Kollektoren gewonnene Solarenergie über Wärmetauscher zum Erhitzen des Brauchwarmwassers genutzt wird. Dank einer hochwertigen Wärmedämmung kann die Wärme nach Bedarf über mehrere Monate gespeichert und in der kalten Jahreszeit zum Beheizen des Gebäudes verwendet werden. Der Swiss Solartank kann mit diversen Systemen wie einer Wärmepumpe oder einer Holzfeuerung kombiniert werden.

Erdbeckenspeicher

Künstlich angelegte Erdbecken bieten viel Kapazität für die Speicherung von Wärme. Sie werden gegen das Erdreich abgedichtet und teilweise gedämmt, mit Wasser gefüllt und gegen oben gedämmt – heute oft mit einer schwimmenden Abdeckung. Dieser Speichertyp hat zwar eine tiefere Lebensdauer als andere, weil die Auskleidungsfolien nach rund 20 Jahren ersetzt werden müssen. Die Gestehungskosten sind aber dennoch tiefer als bei den meisten anderen Nutztemperaturspeichern. Die Wärmeverluste bei grösseren Anlagen  betragen über ein ganzes Jahr lediglich rund 10 Prozent. Erdbeckenspeicher sind insbesondere in Dänemark verbreitet, das bisher grösste dort realisierte Projekt kann rund 210 Millionen Liter Wasser aufnehmen.

Erdwärmesonden- und Aquiferspeicher

Diese beiden Speichertypen können nicht nur als Niedertemperatur-, sondern auch als Nutztemperaturspeicher ausgelegt werden. Aquiferspeicher haben dabei den Vorteil, dass sie sich teilweise schon so tief unter der Erde befinden, dass sie natürlicherweise auf Nutztemperaturniveau betrieben werden können. Und selbst wenn man sie mit Wärmeenergie beladen muss, sind die Verluste aufgrund der höheren Umgebungstemperaturen wesentlich tiefer als bei Erdwärmesondenspeichern.