Sonnenenergie in der Erde speichern

Die Stadtwerke Crailsheim haben die Chance genutzt, in der neuen Siedlung Hirtenwiesen von Beginn an Solarwärme über ein Wärmenetz zu nutzen. Entstanden ist die größte Kollektoranlage Deutschlands, die in Verbindung mit zwei Puffer- und einem Erdsondenwärmespeicher die Hälfte des örtlichen Wärmebedarfs deckt.

Auf einem ehemaligen Kasernengelände wächst in Crailsheim- Hirtenwiesen ein Wohngebiet, dessen Wärmebedarf zur Hälfte mit Sonnenenergie gedeckt werden soll. Damit dies rund ums Jahr möglich ist, wurde ein saisonaler Erdsonden-Wärmespeicher mit 10.000 m³ Wasseräquivalent installiert. Er ist der bislang kostengünstigste seiner Art. Eine spezielle Wärmepumpe steigert die Effizienz und die Speicherkapazität der Anlage.

Fünf bestehende Gebäude wurden saniert und neue Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie eine Schule mit Sporthalle auf weiteren 32 Hektar gebaut. Von den insgesamt 7.400 m² Kollektorfläche sind ein Drittel auf den Dächern und zwei Drittel auf einem Lärmschutzwall installiert. Die Sonnenkollektoren speisen ihre Wärme in einen kleinen und einen großen Pufferspeicher ein. Dieser ist verbunden mit dem Erdsondenspeicher, dessen Größe einem Wasseräquivalent von 10.000 m³ entspricht.


Erdsonden-Wärmespeicher in solares Wärmenetz integriert – Sonnenenergie deckt die Hälfte des Wärmebedarfs im Wohngebiet Hirtenwiesen.

Durch das Zusammenwirken mit einem Pufferspeicher kann die solare Beladung des Erdspeichers zeitverzögert stattfinden. Hierdurch konnte er kleiner ausgelegt werden, was zu den vergleichsweise günstigen Investitionskosten von 50 Euro/m³ Wasser beitrug. Außerdem kamen erstmals Sonden mit unterschiedlichen Längen und vorinstallierten Horizontalverbindungen zum Einsatz. So konnte der Aufwand auf der Baustelle beträchtlich vermindert werden.


Schemazeichnung Crailsheim-Hirtenwiesen

Reicht die in den beiden Pufferspeichern gespeicherte Solarwärme nicht mehr aus, speist der saisonale Wärmespeicher in das System ein. Dieser funktioniert im Zusammenspiel mit dem zweiten und größeren Pufferspeicher, der sich zwischen Kollektorfläche und Erdsonden-Wärmespeicher befindet. Der Pufferspeicher kann rund um die Uhr in das Langzeitwärmedepot einspeichern. Es ist also eine gewisse Zeitverzögerung bei der Beladung des ESWSP möglich.

Der Vorteil: Die maximale Beladeleistung des Erdsondenspeichers kann deutlich unter der maximalen Wärmeleistung des Kollektorfeldes gehalten werden. Dadurch kann die Größe des Speichers so stark reduziert werden, dass trotz des zusätzlich notwendigen Pufferspeichers die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems verbessert wird.

Ein weiterer Grund für die geringen Investitionskosten von rund 50 Euro je Kubikmeter Wasser: Das Projektteam setzte Sondenschenkel mit bereits vorhandener Horizontalverrohrung ein. „Bisher wurden gleich lange Sonden in die Erde gesetzt, die durch Schläuche miteinander verbunden waren. Das Ganze wurde vor Ort zusammengeschweißt, was fehleranfällig ist, zu Verunreinigungen führen kann und entsprechend teuer ist“, erklärt der Leiter des Solites-Forschungsinstituts Dirk Mangold „in Crailsheim setzten wir erstmals Sonden in unterschiedlichen Längen ein und sorgten so zudem für den notwendigen hydraulischen Abgleich. Dadurch konnten wir auf die bisher dafür eingesetzten Strangregulierventile verzichten.“

Materialkosten und Arbeitsaufwand wurden eingespart. Außerdem verwendeten die Verantwortlichen vernetztes Polyethylen als Material für die Erdwärmesonden. Im Unterschied zur ersten Speichergeneration, bei der das teurere Polybuten zum Einsatz kam.

Wärmepumpe reduziert Speicherverluste

Die elektrisch angetriebene Kompressions-Wärmepumpe erreicht eine Arbeitszahl 4,8. Ihre Aufgabe ist es, den Erdsonden-Wärmespeicher auf möglichst niedrige Temperaturen zu entladen. „Die Besonderheit der von uns eingesetzten Wärmepumpe ist, dass sie mit großen Temperaturspreizungen bei der Quelltemperatur sehr gut umgehen kann“, so Sebastian Kurz, der Leiter der Planung bei den Stadtwerken Crailsheim. „Die Temperaturen im Speicher können zwischen 20°C und 50°C variieren.

Trotzdem muss die Wärmepumpe eine konstante Vorlauftemperatur von 60°C liefern.“ Durch den Einsatz der Wärmepumpe kann der Speicher auf tiefere Temperaturen entladen werden. Somit steigt seine Effizienz: Die Wärmeverluste sinken, die nutzbare Temperaturdifferenz und die damit verbundene volumenbezogene Speicherkapazität steigen. Zusätzlich erhöht sich der Nutzungsgrad der Kollektorfelder auf dem Lärmschutzwall vor allem im Frühjahr durch niedrigere Kollektorrücklauftemperaturen. Kann der Wärmebedarf des Wohngebietes nicht mehr durch solare Wärme gedeckt werden, erfolgt die Nachheizung auf die erforderliche Vorlauftemperatur durch das örtliche Wärmenetz. Dieses basiert auf zwei Gaskesseln und einem Erdgasblockheizkraftwerk.

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