Sorptive Wärmespeicher

Versuchsstand
Versuchsstand zur Untersuchung von Sorptionsprozessen, Feststoffwärmetauschern und Speichermaterialien.

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 Wärmespeicherverfahren

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.

Referenzprojekte

HeatSaver – Thermochemisches Wärmespeicherungssystem

Laufzeit: November 2012 – Dezember 2014

Im Rahmen des Projekts EU-Projektes HeatSaver ist es erfolgreich gelungen, eine neuartige Wärmespeichertechnologie basierend auf einem geschlossenen, adsorptiven Wärmespeicherprozess zu entwickeln und in verschiedenen Größenordnungen umzusetzen (1,5 bis 750 Liter).

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SolChemStore – Speicherung von Hochtemperatur Solarenergie

Laufzeit: November 2011 – Januar 2014

Ziel des EU-Projektes ist die Entwicklung einer thermo-chemischen Wärmespeichertechnologie, die geeignet ist, Temperaturen von 100 – 200 °C zu speichern, um so die Energieeffizienz in Industrieprozessen, vor allem der Lebensmittelindustrie, zu steigern.

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HiPel – Metallummantelte Sorptionspellets für Wärmespeicher

Laufzeit: September 2011 – August 2013

im Rahmen eines Projekts werden metallummantelte Pellets enwickelt, die als Schüttung bei gleichbleibender Adsorptionskapazität eine deutlich gesteigerte Wärmeleitfähigkeit aufweisen und mechanisch stabil sind.

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Solaris – Neuartiges und modulares Solar-Luftwärmepumpensystem

Laufzeit: März 2009 – April 2011

Das Ziel von HeatSaver war die Entwicklung einer Wärmespeichertechnologie, die auf einem Sorptionsprozess basiert und sich durch eine hohe Speicherdichte, flexible Arbeitstemperaturen und geringe Wärmeverluste auszeichnet.

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