Thermochemische Wärmespeicherung und Wärmespeicherung mittels Phasenwechselmaterialien
Ein wichtiges Ziel der „Solar Thermal Vision 2030“ des Europäischen Solarthermie Technologie Panels (ESTTP) ist es, den solaren Deckungsanteil an der Wärmeversorgung von Gebäuden auf bis zu 100 % zu steigern. Um dieses Ziel zu erreichen, stellt die thermische Energiespeicherung eine Schlüsselrolle dar. Ergänzend zu der Weiterentwicklung von Warmwasserspeichern sind neue Speicherkonzepte mit hohen Energiedichten (Faktor 8 im Vergleich zu Wasser) und deutlich reduzierten Wärmeverlusten zu entwickeln. Ansatzpunkte hierfür bieten sowohl die thermochemische Wärmespeicherung als auch die Wärmespeicherung mittels Phasenwechselmaterialien, über die Florian Bertsch berichtet.
Sorptive Langzeitwärmespeicherung
Am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart wurde im Projekt „MonoSorp“ ein neues Verfahren, basierend auf einer sorptiven Langzeitwärmespeicherung, zur solarthermischen Gebäudebeheizung entwickelt. Das Verfahren beruht auf der Adsorption von Wasserdampf an zeolithischen Wabenkörpern. Dabei werden in einem offenen Prozess aus Zeolithpulver extrudierte Wabenkörper von feuchter Raumabluft durchströmt. Die austretende erwärmte Luft wird in Verbindung mit einer kontrollierten Gebäudebelüftung mit Wärmerückgewinnung zur Erwärmung der Zuluft genutzt. Die Regeneration des Speichers erfolgt solarthermisch in den Sommermonaten.
Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen Heizungsanlage für ein Gebäude. Dabei ist die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung ausgeführt und die „klassische“ solare Kombianlage um einen Sorptionsspeicher erweitert. Während der Heizperiode wird die verbrauchte, feuchte (Raum-) Abluft durch den Sorptionsspeicher geleitet, in dem die Luftfeuchte adsorbiert wird. Die dabei frei werdende Wärme führt zu einer Temperaturerhöhung des Luftstroms. Die dem Gebäude zugeführte Umgebungsluft wird dadurch auf Temperaturen deutlich oberhalb der Raumtemperatur aufgewärmt und trägt so zur Raumheizung bei.
In Abb. 2 ist die jährliche Energieeinsparung für ein Einfamilienhaus mit einer Wohnfläche von etwa 140 m², das mit einer kontrollierten Lüftung mit Wärmerückgewinnung ausgerüstet ist, im Vergleich zu einer Standard-Kombianlage dargestellt. Die Kollektorfläche wurde dazu so gewählt, dass sie gerade ausreicht, um den Sorptionsspeicher im Sommer vollständig zu regenerieren. Bereits mit hoch effizienten Vakuumröhrenkollektoren mit Flächen von 20–30 m² und vergleichsweise geringen Speichervolumina von 10–15 m³ sowie relativ einfacher Systemtechnik lassen sich sehr hohe solare Deckungsanteile realisieren. Mit einer Speicherdichte von 130 kWh/m³ wird bei dem hier eingesetzten monolithischen Sorptionswärmespeicher etwa die zweieinhalbfache Energiespeicherdichte im Vergleich zu einem Warmwasserspeicher erreicht. Die experimentellen Untersuchungen belegen die technische Machbarkeit. Einige Punkte bedürfen jedoch noch weiterer Forschung. Die Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energien – Institut für Nachhaltige Technologien (AEE-Intec, Gleisdorf, Österreich) hat, aufbauend auf der Erfahrung vorangegangener Projekte, in dem Projekt „ModeStore“ einen Sorptionsspeicher mit der Materialpaarung Silikagel und Wasser entwickelt und im realen Einsatz als Pilotanlage in einem Einfamilienhaus erprobt. Es konnte gezeigt werden, dass die Sorptionstechnologie auch unter realen Einsatzbedingungen technisch umsetzbar ist. Das Systemkonzept und die Regelstrategie haben sich als funktionsfähig und praxistauglich erwiesen. Das Speicherkonzept der Pilotanlage ist in Abb. 3 dargestellt.
Die Anlage besteht aus zwei Sorptionsspeichern, gefüllt mit je 500 kg Silikagel und einem Wasservorratsbehälter. Die Anlage arbeitet als geschlossener Kreislauf. Die physikalische Speicherdichte des Silikagels liegt theoretisch bei etwa 130 kWh/m³. Da jedoch der Temperaturhub bei hohen Wasserbeladungen für die technische Anwendung nicht mehr ausreichend war, liegt die in dieser Anlage erreichte Energiespeicherdichte des Stoffpaars Silikagel/Wasser bei etwa 50 kWh/m³ und damit im Bereich typischer Warmwasserspeicher. Um hohe solare Deckungsanteile zu erreichen, werden große Mengen des Materials benötigt, was weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll ist. Die Materialpaarung wurde deshalb ausgewählt, da Silikagel im Großmaßstab hergestellt wird und günstig und ungiftig ist. Die gesammelten Erfahrungen anhand der Pilotanlage sind sehr hilfreich. Der nächste Schritt muss im Bereich der Materialforschung erfolgen, um mit neuen, verbesserten Materialien dieses funktionsfähige Systemkonzept weiterzuentwickeln.
Wärmespeicherung mittels Phasenwechselmaterialien (PCM)
Am Department of Civil Engineering, Technische Universität von Dänemark (DTU), wurde die Langzeitspeicherung mittels unterkühlter flüssiger PCM theoretisch untersucht. Unter unterkühltem PCM versteht man die Abkühlung eines PCM unter seine Kristallisationstemperatur. Soll Wärme aus dem unterkühlen, flüssigen PCM abgeführt werden, wird die Kristallisation durch einen Kristallisationskeim gestartet. Während der Kristallisation setzt das PCM seine gespeicherte Kristallisationswärme frei. Durch diesen Effekt ist eine nahezu verlustfreie Wärmespeicherung durch ein PCM möglich. Für die theoretischen Untersuchungen des DTU wurde das in Abb.4 dargestellt Hydraulikschema entwickelt und simuliert. Der Speicher ist hier in viele kleine, separat kristallisierbare Segmente unterteilt. Die gestrichelten Linien zeigen die Regelung des Systems. Um einen solaren Deckungsanteil von 100 % zu erreichen, wird bei einer Kollektorfläche von 20–25 m² ein PCM Speichervolumen von ca. 10 m³ benötigt. Allerdings ist der apparative Aufwand sehr groß, da der Speicher in viele kleine Segmente unterteilt werden muss. Derzeitige Arbeiten beschäftigen sich mit der Umsetzung des Konzeptes. Der Nachweis der technischen Machbarkeit anhand einer Demonstrationsanlage ist innerhalb der nächsten 2 Jahre zu erwarten.
Thermochemische Wärmespeicherung
Am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) der Universität Stuttgart wird derzeit in einem Projekt die Speicherung von Wärme in Form von chemischer Energie untersucht. Das Prinzip der hier untersuchten Wärmespeicherung beruht auf der exothermen Reaktion von Wasser mit Salz zu Salzhydrat und Wärme. Werden die beiden Edukte räumlich getrennt voneinander gelagert, ist die Wärmespeicherung nahezu verlustfrei über einen beliebig langen Zeitraum möglich. In den Sommermonaten kann die solarthermische Regeneration, also die energetische Beladung des chemischen Wärmespeichers, erfolgen. Ein mögliches Anlagenschema einer solaren Kombianlage mit chemischem Wärmespeicher ist in Abb. 5 dargestellt. Der chemische Wärmespeicher besteht aus einem Reaktor und einen Bevorratungsbehälter für hydratisiertes und dehydratisiertes Speichermaterial. Als Wärme quelle dient ein Kollektorfeld, das wahlweise den Kombispeicher aufheizt oder die für die Dehydratisierung des Speichermaterials im Reaktor benötigte Wärme liefert. Der Kombispeicher wird vor allem aus verfahrenstechnischen Gründen benötigt. Der chemische Reaktor kann so für eine konstante Wärmelast ausgelegt und Lastspitzen über den Kombispeicher abgepuffert werden. Soll bei nicht ausreichender solarer Strahlung Wärme in den Kombispeicher eingebracht werden, wird dem Reaktor Anhydrat aus dem Bevorratungsgehälter und Wasserdampf durch feuchte Zuluft aus der Umgebung oder durch eine interne Feuchtequelle wie z.B. Raumluft zugeführt. Die im Reaktor entstehende Reaktionswärme wird in den Kombispeicher abgeführt und das entstandene Hydrat getrennt vom Anhydrat in dem Bevorratungsbehälter aufbewahrt. Die Regeneration des Speichermaterials (Rückreaktion) erfolgt in den Sommermonaten. Theoretisch ist mit diesem Verfahren die Realisierung eines kompakten Wärmespeichers mit hohen physikalischen Speicherdichten von 200 bis zu 600 kwh/m³ möglich. Jedoch besteht ein großer Forschungs- bedarf im Bereich der Speichermaterialien und der Systemtechnik. Der Bau und die Validierung des dargestellten Verfahrenskonzepts anhand einer Demonstrationsanlage sind für das Jahr 2011 am ITW geplant.
Literatur beim Autor
bertsch@itw.uni-stuttgart.de
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