Sorptive Wärmespeicher

Ein wichtiger Beitrag für den Klimaschutz ist, den Nutzungsgrad von Energie zu erhöhen. So können eingesetzte fossile oder regenerative Primärenergien, die in der ersten Anwendung nicht genutzt werden, sekundär genutzt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Nutzung von Abwärme aus Verbrennungsmaschinen bei der Verstromung von Biogas, die typischerweise mehr als 50 Prozent des Energiegehalts des eingesetzten Biogases ausmacht. Daneben gibt es viele weitere energiewirtschaftliche, gewerbliche und industrielle Prozesse, bei denen ebenfalls große Mengen Abwärme anfallen. Bedenkt man, dass 50-60 Prozent des Energiebedarfs in der EU in Form von Wärme [EUREC, European Renewable Energy Research Centres Agency, 2009] gedeckt werden kann, wird offensichtlich, dass hier ein großes Potenzial zur Optimierung der Energienutzung und zur Erhöhung des Nutzungswirkungsgrads besteht. Das Fraunhofer IGB entwickelt Prozesse zur sorptiven Wärmespeicherung, um die Energieeffizienz zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind kompakte und flexible Speichersysteme notwendig, die in der Lage sind, örtlich – durch Transportfähigkeit – und zeitlich – durch Verlustminimierung – das Wärmeangebot vom Wärmebedarf zu entkoppeln. Derzeit industriell hergestellte und am Markt verfügbare Wärmespeicher speichern fast ausschließlich sensible (fühlbare) Wärme meist auf der Basis von Wasser. Dies limitiert die Speicherdichte und beschränkt die Temperatur in der Regel auf maximal 100 °C. Auch Latentwärmespeicher, die zwar eine etwas größere Speicherdichte erreichen können, sind aufgrund ihrer definierten Arbeitstemperatur nicht sehr flexibel. Der prinzipielle Nachteil beider Systeme besteht zudem in den hohen thermischen Verlusten insbesondere bei längerer Speicherung.

Chemische und sorptive Wärmespeicher (thermo-chemischen Speicher) sind relativ neue, vielversprechende Technologieansätze mit deutlichen Vorteilen gegenüber den vorher genannten Systemen. Speicherdichten können um ein vielfaches höher sein, die Temperaturbereiche sind sehr flexibel und Wärmeverluste treten kaum oder gar nicht auf.

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Systeme mit hochporösen Adsorbenzien

Das Fraunhofer IGB arbeitet derzeit mit Sorptionssystemen, bei denen speziell eine physisorptive Bindung zwischen einem Reaktionspaar Adsorbens (A) – Adsorptiv (B) mit möglichst hohem Energieumsatz genutzt wird. Für umfangreiche Laboruntersuchungen wurde ein geschlossenes System mit der Adsorption von Wasserdampf in den Poren von Zeolithen und anderen hochporösen Adsorbenzien ausgewählt und in einer Versuchsanlage umgesetzt.

Ausblick

Zur Realisierung solcher Technologien in industrieller Serienqualität ist noch eine Reihe von Entwicklungsschritten nötig. Die mit derzeit verfügbaren konstruktiven Lösungen erreichbaren Wärmespeicherdichten und Wärmeleistungen sind, verglichen mit den theoretischen Potenzialen, bisher für eine Wirtschaftlichkeit in industriellen Systemen zu gering. Weiterer Forschungsbedarf besteht hier insbesondere für Lösungen zum Wärme- und Stofftransport und der Systemkonfiguration. Ziel ist es, industriell relevante Lösungen anzubieten, mit denen beispielsweise Anlagen zur Verstromung von Biogas als vollwertige Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen betrieben werden können, indem die Abwärme auch tatsächlich genutzt wird.