Massivdecken als Energiespeicher

    Deckenspeicher
    RAUM-K BUFFER

    Mehr Eigenverbrauch durch Speichertechnik

    Eine PV-Anlage zahlt sich am meisten aus, wenn die produzierte Energie vollständig vor Ort verbraucht wird. Jede Kilowattstunde Strom, die man in das öffentliche Netz einspeist und später wieder daraus bezieht, verursacht zusätzliche Kosten.

    Darum ist es wichtig, die überschüssige Energie der ertragreichen Stunden bis zum Bedarf speichern zu können. Bisher kommen dafür hauptsächlich Batteriespeicher zum Einsatz, aber es gibt noch eine deutlich günstigere Lösung: Den Deckenspeicher.

    Passive Unterstützung der Heizung und Kühlung

    Der Deckenspeicher puffert Wärme und Kälte in den Massivdecken des Gebäudes, um sie später wieder zum Heizen und Kühlen zu entnehmen. Doch auch während die Wärme oder Kälte im Betonkern gespeichert ist, erfüllt sie eine wichtige Funktion:

    Was davon aus dem Speicher in die Räume entweicht, deckt passiv einen Teil der Heiz- und Kühllast. Im Betonkern kann ein großes Speichervolumen aktiviert werden und die Investitionskosten pro Kilowattstunde liegen beim Deckenspeicher weit unter denen eines Batteriespeichers.

    Der Deckenspeicher im Gesamtsystem

    Vorteile des Deckenspeichers

    Ideale Ergänzung zu kleinen Batteriespeichern

    Batteriespeicher sind sinnvoll – sie steigern dauerhaft die Rendite des Anlagenbetreibers und senken die Energiekosten der Mieter – aber sie sind teuer in der Anschaffung. Mit einem Deckenspeicher erzielt man die gleiche Speicherkapazität für einen Bruchteil der Kosten.

    Das ermöglicht Ihnen zum Beispiel, nur einen relativ kleinen Batteriespeicher zu nutzen, der für den Haushaltsstrom ausreicht. Die übrige Energie speichern Sie als Wärme und Kälte in den Massivdecken, weil dort das große Speichervolumen günstiger zu haben ist. Wer also ohnehin eine Betondecke plant oder besitzt, kann durch den Deckenspeicher seine Rendite mit geringeren Investitionskosten steigern.

    In deutschen Haushalten macht Wärme über zwei Drittel des Energiebedarfs aus. Demnach ist es gar nicht notwendig, überschüssige Energie in Form von Strom zu speichern. Wenn Sie den überschüssigen Strom stattdessen in Wärme umwandeln und in der Decke puffern, können Sie damit bis zu 84 % des anstehenden Energiebedarfs decken.

    Quelle: Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen, Zusammenfassung Anwendungsbilanzen für die Endenergiesektoren 2013 bis 2016, Stand 01/2018

    In einem Gebäude mit 120 m² Wohnfläche und einer Deckenstärke von 0,22 m speichert ein vollflächig installierter Deckenspeicher rund 360 kWh Wärme. Je nach Dämmung und Außentemperatur kann man dieses Gebäude bei vollem Speicher theoretisch 5 Tage lang beheizen, ohne neue Wärme zu erzeugen.

    Trotzdem ist es empfehlenswert, die Wärmepumpe nicht erst bei Bedarf zu aktivieren, sondern konstant ein wenig zusätzliche Wärme zu erzeugen. Dadurch sind Leistungszahlen bis zu
    COP 10 möglich: Es wird also kaum noch Strom benötigt und eine Solaranlage kann diesen ­geringen Bedarf auch im Winter noch gut abdecken.

    Wie die Grafik rechts zeigt, erzeugen PV-Anlagen beinahe täglich einen Überschuss an Strom: Damit kann man die Wärmepumpe konstant mit hohem Wirkungsgrad betreiben und die thermische Energie bis zum Eigenbedarf in der Decke speichern. Dabei wird der Deckenspeicher in der Regel weder vollständig gefüllt noch geleert, sondern steigert in erster Linie die Effizienz des Gesamtsystems.

    Temperaturdifferenz  x  Gewicht  x  Speicherkapazität Beton  =  Speicherkapazität Deckenspeicher

    Die gesamte Kapazität des Deckenspeichers ergibt sich aus der Temperaturdifferenz (Speicher zu Raum), seinem Gewicht (Beton-Dichte x Stärke) und der spezifischen Speicherkapazität von Beton. Wir haben folgende Beispielwerte einmal auf obenstehende Formel angewandt.

    Temperaturdifferenz: 20 K = Maximale Speichertemp. – Raumtemp. (40 – 20 °C)
    Gewicht: 550 kg/m² = Betondichte x Stärke Decke (2500 kg/m​³ x 0,22 m)
    Speicherkapazität Beton: 0,272 Wh/kgK = Stoffkonstante​

    Beispielrechnung für die Speicherkapazität dieser Decke:
    20 K x 550 kg/m² x 0,272 Wh/kgK = 2,99 kWh/m²
    Somit ergibt sich für ein Gebäude dieser Bauart mit 120 m² Wohnfläche eine
    Gesamt-Speicherkapazität von 120 m² x 2,99 kWh/m² = 358,8 kWh.

    Wenn ein Sturm die Windkraftanlagen ordentlich ankurbelt, produzieren diese einen Überschuss an Strom. Dieser Strom muss unbedingt gespeichert oder verbraucht werden, damit das Netz nicht überlastet. Wenn die Nachfrage dafür zu gering ist, wird der Strom günstiger verkauft, um ihn loszuwerden. Mit einem großen Energiespeicher kann man diese Preisschwankungen zu seinem Vorteil nutzen.

    Ein großes Speichervolumen macht sich bezahlt

    Energiekosten lassen sich beträchtlich senken, wenn man den Strom hauptsächlich in Tiefpreisphasen einspeichert. Im Extremfall wird man für den Verbrauch sogar bezahlt: Zu Spitzenzeiten wurde die Abnahme einer Megawattstunde schon mit über 60 € vergütet. Eine Wohnanlage mit Deckenspeichern könnte gleich mehrere Megawattstunden auf einmal puffern. Es lohnt sich also, ein großes Speichervolumen zu haben, um die Energie dann einzulagern, wenn sie besonders günstig ist – oder sogar Gewinn abwirft.

    Ganz zu schweigen davon, dass es ökologisch sinnvoller ist, die überschüssige Energie später zum Heizen und Kühlen zu nutzen, als sie irgendwo zu vernichten.

    Für die lokale Energieerzeugung kommen neben PV-Anlagen auch gerne Blockheizkraftwerke zum Einsatz. Diese werden üblicherweise Wärmegeführt betrieben und produzieren dadurch einen Überschuss an Strom, der sich nur teuer speichern lässt.

    Mit einem Deckenspeicher kann sich das Blockheizkraftwerk dagegen nach dem Strombedarf richten und die überschüssige Wärme oder Kälte günstig speichern. Das steigert den Eigenverbrauch und optimiert die Kosten.

    Das wärmegeführte Blockheizkraftwerk

    Normalerweise laufen Blockheizkraftwerke an, wenn Wärme benötigt wird. Der Strom entsteht sozusagen als Nebenprodukt und wenn er gerade nicht benötigt wird, fließt er in den Batteriespeicher. Ist dessen Speicher­kapazität erschöpft, wird der überschüssige Strom an das öffentliche Netz verkauft.

    Das stromgeführte Blockheizkraftwerk

    Mit einem Deckenspeicher kann sich das Blockheizkraftwerk dagegen nach dem Strombedarf richten: Das Kraftwerk produziert den Strom genau dann, wenn er benötigt und direkt verbraucht wird. In diesem Fall entsteht die Wärme als Nebenprodukt und wird bis zum Heizbedarf im Betonkern gespeichert. Da der Deckenspeicher durch seine geringen Investitionskosten eine hohe Speicherkapazität erschwinglich macht, muss keine überschüssige Energie mehr zu schlechten Konditionen in das öffentliche Netz eingespeist werden.

    Funktion des Deckenspeichers

    Statt einen teuren Batteriespeicher mit Strom aufzuladen, kann man die Energie auch in Form von Wärme oder Kälte in den Massivdecken des Gebäudes speichern.

    Dafür werden entweder Rohrregister in den Betonkern der Decken integriert, wie man das von einer Bauteilaktivierung kennt. Oder man aktiviert eine vorhandene Betondecke als Energiespeicher, indem man die Rohre mit Wärmeleitprofilen unter die Decke montiert.

    Integrierter Deckenspeicher* mit Klimadecke

    1. Dämmebene
    2. Betondecke
    3. Speicherregister in Betonkern
    5. Klimadecke

     * zum Patent angemeldet

    Nachträglich montierter Deckenspeicher* mit Klimadecke

    1. Dämmebene
    2. Betondecke
    4. Speicherregister nachträgliche Montage
    5. Klimadecke

     * zum Patent angemeldet

    Funktionsbeispiel Heizbetrieb

    Produziert man im Winter einen Überschuss an Energie, wird damit Wasser erwärmt und durch die Rohre des Deckenspeichers geleitet. Auf diese Weise kann der Beton große Mengen thermischer Energie aufnehmen und für den späteren Gebrauch speichern. Wenn schließlich Heizbedarf besteht, wird die Wärme wieder über die Rohrregister aus dem Deckenspeicher entnommen.

    Damit die Wärme zwischenzeitlich nicht unkontrolliert entweicht, wird der Betonspeicher gedämmt. Was noch an Wärme durch die Dämmung in den Raum dringt, ist exakt berechnet und gewollt: Dieser Wärmestrom hilft, die Grundlast im Raum zu decken – passiv, ohne Einsatz der Umwälzpumpen.
    Das senkt den Energiebedarf und wenn man die Entlastung durch den Deckenspeicher optimal in die Planung einbezieht, kann man die Anlagentechnik in der Regel 50 % sparsamer dimensionieren.

    Das alles gilt übrigens nicht nur für den Heizbetrieb: Wenn im Sommer gekühlt wird, speichert man einfach die überschüssige Energie als Kälte im Beton.

    Funktionsprinzip des Deckenspeichers

    Der Deckenspeicher puffert Wärme und Kälte für den späteren Gebrauch, doch das ist längst nicht alles: Durch seine Lage in den Geschossdecken gelangt auch die entweichende Abwärme und -kälte in den Raum, wo sie gebraucht wird. So deckt der Speicher bereits passiv einen Teil des Heiz- und Kühlbedarfs.

    Der passive Speicher

    Das Besondere am Deckenspeicher ist seine Lage in der Geschossdecke – direkt über der Heiz-Kühlfläche einer Klimadecke. Dadurch unterstützt die Abwärme passiv den Heizbetrieb und geht nicht an die Umgebung verloren wie bei einem ausgelagerten Speichertank. Je wärmer der Speicher ist, desto mehr Wärme dringt in den Raum – und ähnlich verhält es sich mit der gespeicherten Kälte im Kühlbetrieb.

    Dieser passive Wärmestrom vom Speicher in den Raum wird genau berechnet und in die Auslegung einbezogen. Er deckt permanent eine Grundlast, steigert den Wirkungsgrad der Wärmepumpe und verbraucht dafür keinen Pumpenstrom. Effizienter lässt sich die Energie nicht nutzen. Darum hält man die passive Wirkung des Speichers möglichst lange aufrecht und entnimmt erst dann aktiv Energie, wenn bereits ein ausreichender Überschuss gespeichert ist.

    Der aktive Speicher

    Ist die passive Wirkung des Speichers ausreichend sichergestellt, wird bei Bedarf auch aktiv Wärme oder Kälte aus dem Speicher entnommen und zum Heizen oder Kühlen durch die Decke geleitet.

    Nebenstehendes Diagramm beschreibt die Speichernutzung für ein beispielhaftes Gebäude im Heizbetrieb. In diesem Fall steht der Temperaturbereich von 33-40 °C für die aktive Wärmeentnahme zur Verfügung. Das entlastet die Wärmepumpe zusätzlich und deckt die auftretenden Spitzenlasten ohne große Anlagentechnik.

    Einsatz der Wärmepumpe

    1. Speicher füllen: Die Wärmepumpe füllt den Deckenspeicher immer dann, wenn ein Überschuss an Strom verfügbar ist. Das kann passieren, wenn der Ertrag der PV-Anlage den aktuellen Bedarf übersteigt. Oder wenn der Strompreis gerade besonders niedrig ist.

    2. Heiz-Kühl-Betrieb unterstützen: Der Heiz- und Kühlbedarf wird bevorzugt vom Deckenspeicher abgedeckt. Wenn der Speicher dafür alleine nicht mehr ausreicht, ergänzt die Wärmepumpe die übrige Leistung.

    Preisbeispiel: Deckenspeicher und Batteriespeicher im Vergleich

    Ein Deckenspeicher ist in der Investition deutlich preiswerter als ein Batteriespeicher.

    Genaue Zahlen hängen vom konkreten Bauvorhaben ab, aber das folgende Kostenbeispiel gibt Ihnen eine gute Vorstellung von den Dimensionen. Sie werden sehen: Ein paar Euro hin oder her sind am Ende unerheblich, denn der Deckenspeicher ist hier mindestens um den Faktor 50 günstiger.

    Kostenbeispiel Heizbetrieb: Die Rahmenbedingungen

    Das Kostenbeispiel bezieht sich auf ein Objekt mit 2000 m² Deckenfläche und 24 cm starkem Deckenspeicher im Betonkern:
    In diesem Deckenspeicher kann Wärme gepuffert werden, bis der Beton 40 °C erreicht. Höhere Temperaturen erfordern aufgrund der Ausdehnung zusätzliche konstruktive Maßnahmen.

    • Bis zu einer Temperatur von 33 °C wird die Wärme nur gespeichert und trägt passiv zu einem effizienteren Heizbetrieb bei.
    • Im Temperaturbereich von 33 °C bis 40 °C wird bei Bedarf aktiv Wärme aus dem Deckenspeicher entnommen, um eine Vorlauftemperatur von 27 °C für die Klimadecke aufrechtzuerhalten.

    Die Speicherkapazität der gesamten 2000 m² beträgt unter diesen Bedingungen über 4000 kWh. Das sind rund zwei Kilowattstunden pro Quadratmeter Speicherfläche. Davon wird eine Kilowattstunde passiv und eine Kilowattstunde aktiv genutzt.

    Kostenvergleich Heizbetrieb: Batterie- und Deckenspeicher

    • Die zusätzlichen Baukosten, um 2000 m² als Deckenspeicher auszuführen, betragen inklusive Verrohrung, Umwälzpumpen und Regelungstechnik ca. 75.000 €. Das entspricht rund 18 € pro Kilowattstunde Speicherkapazität – 36 €, wenn man nur den aktiven Speicher berücksichtigt.
    • Bei einem Batteriespeicher kostet die aktiv nutzbare Kilowattstunde dagegen zwischen 800 und 1800 € inklusive Technik und Installation – Raumkosten sind darin noch nicht enthalten. Je nach Speicherbedarf kann natürlich auch nur ein Teil der Decke als Speicher ausgeführt werden.

    Kosten pro kWh
    aktive Speicherkapazität

    Deckenspeicher

    36 €*

    Kosten pro kWh
    aktive Speicherkapazität

    Batteriespeicher

    800 – 1800 €

    Vergleichbare Ergebnisse im Kühlbetrieb

    Wenn im Sommer Kälte eingelagert wird, bleibt das Prinzip sehr ähnlich. Es werden nur die Temperaturbereiche des passiven und aktiven Speichers an die Vorlauftemperaturen des Kühlbetriebs angepasst.

    Die Anlagentechnik muss immer so dimensioniert werden, dass sie die Lastspitzen an kalten Tagen abdecken kann. Üblicherweise werden dafür die Wärmeerzeuger entsprechend groß bemessen.

    Da der Deckenspeicher aber permanent einen Teil der Heizlast abdeckt, muss der Wärmeerzeuger nur noch die Differenz zur Spitzenlast decken. Darum kann bei optimaler Auslegung die Anlagentechnik bis zu 70 % kleiner und günstiger ausfallen. Das spart weit über die Anschaffung hinaus, da kleinere Anlagen auch geringere Betriebs- und Wartungskosten verursachen.

    Zudem hat der Deckenspeicher keine begrenzte Lebenserwartung. Während man einen Batteriespeicher alle 10–20 Jahre ersetzen muss, speichert der Beton Wärme und Kälte, so lange das Gebäude steht.

    Varianten der Ausführung

    Neubau: Integrierter Deckenspeicher mit Klimadecke

    Statt einen teuren Batteriespeicher mit Strom aufzuladen, kann man die Energie auch in Form von Wärme oder Kälte in den Massivdecken des Gebäudes speichern. Dafür werden Rohrregister in den Betonkern der Decken integriert, wie man das von einer Bauteilaktivierung kennt.

    Im Neubau integriert man die Rohrregister für die Aktivierung des Deckenspeichers direkt in den Betonkern der Massivdecken. Je nach Deckensystem geschieht das bei der Vorfertigung im Werk oder bei der Betonage vor Ort. Unter der aktivierten Decke wird abschließend eine Dämmschicht montiert. Unter diese Konstruktion kann nun eine beliebige Klimadecke installiert werden.

    Integrierter Deckenspeicher mit Klimadecke

    1. Dämmung
    2. Beton-Deckenspeicher
    3. Dämmebene mit Tragprofil
    5. Wärmeleitprofil mit Rohrregister
    6. Unterdecke: Gipskarton- oder Gipsfaserplatten
    Optional mit Brandschutz

    Integrierter Deckenspeicher mit abgehängter Klimadecke

    1. Dämmung
    2. Beton-Deckenspeicher
    4. Tragprofil
    5. Wärmeleitprofil mit Rohrregister
    6. Unterdecke: Gipskarton- oder Gipsfaserplatten
    Optional mit Brandschutz
    7. Abhängung nach Anforderung

    Sanierung: nachträglich auf eine Betondecke montiert

    Auch eine vorhandene Betondecke kann nachträglich für die Nutzung als Energiespeicher aktiviert werden. Hierfür werden Wärmeleitprofile mit Rohrregistern unter die Betondecke montiert. Diese temperieren den Beton und ermöglichen so die Speicherung und Entnahme von Wärme oder Kälte.

    Unter dieser Aktivierungsebene wird eine Dämmschicht angebracht, die mit Tragprofilen kombiniert ist. In diese Tragprofile lassen sich die Wärmeleitprofile für die Klimadecke Singular Flex einhängen. Abschließend beplankt man die Wärmeleitprofile der Klimadecke mit gängigen Trockenbau-Platten.

    Nachträglich montierter Deckenspeicher mit Klimadecke

    1. Dämmung
    3. Dämmebene mit Tragprofil
    5. Wärmeleitprofil mit Rohrregister
    6. Unterdecke: Gipskarton- oder Gipsfaserplatten
    Optional mit Brandschutz
    8. Aktivierungsebene Deckenspeicher:
    Wärmeleitprofil mit Rohrregister
    9. Betondecke

    Wärmeleitprofile mit Rohrregister können auf eine vorhandene Betondecke montiert werden, um diese als Deckenspeicher zu aktivieren. Darunter wird eine Dämmebene angebracht, die mit Tragprofilen kombiniert ist. In diese Tragprofile werden die Wärmeleitprofile für die Klimadecke eingehängt und abschließend ­alles mit gängigen Trockenbau-Platten beplankt.

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