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Heizungs-ABC: Wie speichert man Wärme in Wasser?

Der Warmwasserspeicher (auch Wärmespeicher oder Pufferspeicher genannt) ist eine der wichtigen Komponenten der Solarthermie-Anlage: Er nimmt die Sonnenwärme auf, die die Kollektoren absorbieren und an die Solarflüssigkeit weiterreichen, die sie dann zum Speicher transportiert, wo sie zwischenlagert. Hier wollen wir die wichtige Frage beantworten, wie sich Wärme in Wasser überhaupt speichern lässt.

Wasser hat viele charakteristische Eigenschaften: Sein Aggregatzustand ist flüssig, reines Wasser ist geschmack-, farb- und geruchlos, bei null Grad Celsius (Schmelzpunkt) schmilzt zu Wasser gefrorenes Eis beziehungsweise erstarrt Wasser zu Eis, bei rund 100 Grad Celsius (°C) siedet Wasser (Siedepunkt: 99,974 °C) und verdampft zu Wasserdampf. Ursächlich für seine Eigenschaften ist der molekulare Aufbau des Wassers. Und den schauen wir uns jetzt erst einmal genauer an:

Aufbau des Wassers = Voraussetzung für wärmespeichernde Fähigkeiten

Ein Wassermolekül H2O besteht der chemischen Formel nach aus einem Sauerstoffatom (O) und zwei Wasserstoffatomen (2 mal H). Die Verbindung der beiden Wasserstoffatome an das Sauerstoffatom findet über eine sogenannte Elektronenpaarbindung statt, die aus zwei Elektronen besteht.

Elektronegativität von Wasserstoff und Sauerstoff

Die Kraft (zwischenmolekulare Anziehungskraft), mit der die Elektronen der Elektronenpaarbindung an sich gezogen werden, lässt sich messen. Das zugehörige Maß heißt: Elektronegativität (EN). Der Elektronegativitätswert variiert in Abhängigkeit von der Art der Atome. Während zum Beispiel Fluor als das Element mit der höchsten Elektronegativität (EN =4) gilt, beträgt die von Sauerstoff 3,5 und von Wasserstoff 2,1.

Die Elektronegativität beeinflusst, wie sich Atome zu einem Molekül zusammenfinden: Im Wassermolekül besitzt Sauerstoff die größere Elektronegativität gegenüber Wasserstoff.  Deshalb zieht der Sauerstoff die Elektronen beider Elektronenpaarbindungen an sich auf seine Seite. Daraus resultiert eine negative Teilladung.

Gut zu wissen: Die molekulare Struktur des Wassermoleküls beschreibt man geometrisch auch als gewinkelt. Denn die beiden Wasserstoffatome sitzen in einem Winkel von 104,45 Grad (°) am Sauerstoffatom. Der Winkel ergibt sich wegen der beiden nicht bindenden Elektronenpaare des Sauerstoffatoms. Die gewinkelte Struktur und die unterschiedlichen EN-Werte von Sauerstoff und Wasserstoff bewirken

  • einerseits einen negativen Ladungsschwerpunkt (Polarität) auf der Seite des Sauerstoffs
  • und andererseits einen positiven Ladungsschwerpunkt auf der anderen Seite des Wassermoleküls beim Wasserstoff.

Wasserstoffbrückenbindungen einfach erklärt

Diese unterschiedlichen Ladungen an den Molekül-Enden begründen die elektrischen Eigenschaften des Wassers: Solche auch Dipolmoleküle genannten Moleküle sind in der Lage, untereinander in Wechselwirkung zu treten. So nähert sich der positivere Teil (H) dem negativeren Teil (O) eines benachbarten Moleküls und bildet eine sogenannte Wasserstoffbrückenbindung.

Die muss man sich nicht als beständige und feste Verkettungen vorstellen, sondern vielmehr als nur Bruchteile von Sekunden andauernde Verbindungen, aus denen heraus sich die Moleküle wieder lösen, um sich mit anderen erneut zu Ketten zu verbinden, die der Grund dafür sind, dass sich die einzelnen Moleküle nicht mehr so frei bewegen können wie außerhalb der Kette. Deshalb ist in diesem Zusammenhang auch von sogenannten variablen Clustern, also variablen, vernetzten, dreidimensionalen Strukturen, die Rede.

Diese Neigung der Wassermoleküle, über Wasserstoffbrückenbindungen ganze Cluster zu bilden, die bei jedem Phasenübergang extra überwunden werden müssen, macht Wasser zu dem besonderen Element, das es ist:

  • Die einzige chemische Verbindung, die in der Natur als Flüssigkeit, Festkörper (Eis) und als Gas (Wasserdampf) vorkommt, wobei angemerkt werden muss, dass Wasser in der Natur selten rein ist.
  • Die Verbindung, die bei Raumtemperatur die höchste spezifische Wärmekapazität aller Flüssigkeiten aufweist: 75,366 J·mol?1K?1 entsprechend 4,18 kJ·kg?1·K?1 bei 20 °C.

Wärme in Wasser speichern – die spezifische Wärmekapazität von Wasser

Und da haben wir schon mal den Grund, warum Wasser sich vor allen anderen Flüssigkeiten

  • sowohl als Wärmeüberträger
  • als auch als Wärmespeicher

auszeichnet: seine Fähigkeit, Wärme zu speichern.

Um eine bessere Vorstellung davon zu bekommen, müssen wir uns noch  mit der spezifischen Wärmekapazität von Wasser beschäftigen, die mitunter auch als „spezifische Wärme“ bezeichnet wird: Sie lässt sich genau beziffern, denn damit ist die Menge an Energie gemeint, die nötig ist, um jeweils ein Kilogramm (kg) eines Stoffes, hier Wasser, um genau 1 °C zu erwärmen beziehungsweise um genau 1 °C abzukühlen.

Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt 4,184 Kilojoule pro Kilogramm mal Kelvin (kJ/(kg·K)). Das heißt, um 1 kg Wasser um 1 °C zu erwärmen, sind rund 4,2 kJ thermische Energie nötig. Für die Bereitstellung von 1 kg Warmwasser mit einer Temperatur von zum Beispiel 40 °C bei einer Vorlauftemperatur von 15 °C sähe die Rechnung dann so aus:

4,2 kJ/(kg·K) · 25 K · 1 kg = 105 kJ

Nun badet es sich in 1 kg wohlig warmen Wassers noch nicht komfortabel: Für eine Badewanne braucht man schon 150 bis 200 Liter davon:

4,2 kJ/(kg·K) · 25 K · 150/200 kg = 15.750/21.000 kJ

So speichert Wasser Wärme – das passiert bei Zufuhr von Wärme in Wasser

Die dem Wasser zugeführte Wärme bringt die Moleküle in Bewegung. Prinzipiell würde gelten: Je mehr Wärme zugeführt wird, desto stärker die Molekülbewegungen. Allerdings müssen bei Wasser die oben ausführlich beschriebenen Wasserstoffbrückenbindungen berücksichtigt werden. Um diese zu lösen, ist ein Extra an Wärme nötig. Von wo auch immer die Wärme ins Wasser gelangt (mögliche Energiequellen: Sonne, Wasserkocher, Boiler, Heizkessel) – die zur Spaltung der Wasserstoffbrückenbindungen nötige Wärmeenergie geht nach dem Erhaltungssatz der Energie nicht verloren, sondern steckt im nunmehr frei beweglichen Wassermolekül. Dieses speichert die Wärme als Bewegungsenergie. Kühlt das Wasser ab, sinkt also seine Temperatur, bewegen sich auch die Wassermoleküle weniger stark. Sie bilden wieder Wasserstoffbrücken aus, wobei die gespeicherte Wärme freigesetzt wird.

Bedeutung des Wärmespeichers Wasser

Auf eine einzelne Wasserstoffbrückenbindung bezogen, mag die Wärmemenge verschwindend gering sein, die gebraucht wird, um die Brücke zu lösen. Bedenkt man aber die Mengen an Wasser in einer Heizungsanlage oder gar in den Ozeanen, wird schnell klar, welche Dimensionen die Wärmespeicherung seitens des Wassers hat: Das Weltklima wird von der Solarwärme, die die Ozeane tagtäglich speichern, maßgeblich bestimmt.

Wasser als Wärmespeicher – auch die Viskosität von Wasser spricht dafür

Nun ist es nicht nur die hohe Wärmekapazität des Wassers, die es zu einem in Heizungsanlagen optimal kursierenden Wärmeübertrager und Wärmespeichermedium im Pufferspeicher macht. Auch seine Beschaffenheit trägt außerordentlich dazu bei: Hierzu müssen wir uns mit der sogenannten Viskosität von Wasser auseinandersetzen. Die auch Zähflüssigkeit oder Zähigkeit von Flüssigkeiten genannte Größe gibt Auskunft über die Fließfähigkeit derselben. Es gilt: Je größer die Viskosität ist, desto dickflüssiger, also desto weniger fließfähig ist das Fluid. Und je niedriger die Viskosität ist, desto dünnflüssiger (fließfähiger) ist das Fluid.

Wasser hat eine Viskosität von 1,0 mPa s (Pa s = N s m-2 = kg m-1 s-1). Wissen müsst ihr, dass die Viskosität von Wasser mit abnehmender Zahl von Wasserstoffbrückenbindungen infolge zunehmender Temperatur abnimmt und am Siedepunkt 0,283 mPa s erreicht. Außerdem beeinflussen im Wasser gelöste Stoffe dessen Viskosität.

Grafik: Doreen Burmme