Thermochemischer Wärmespeicher

Thermochemische Wärmespeicher speichern Wärme durch endotherme Reaktionen und geben sie durch exotherme Reaktionen wieder ab.

Ein Beispiel eines Thermochemischen Wärmespeichers ist der Sorptionsspeicher: Ein Tank enthält Granulat aus Silicagel, das hygroskopisch, stark porös ist und deshalb eine große innere Oberfläche hat (ein Gramm hat eine innere Oberfläche von etwa 600 m²). Silikagele haben die Eigenschaft, Wasserdampf anzuziehen und an ihrer Oberfläche anzulagern (Adsorption), wobei Wärme frei wird. Umgekehrt muss zum Trocknen von Silikagelen (Desorption) Wärmeenergie aufgewendet werden.

Das Silicagel ist in Granulatform in einem Kessel, in dem sich ein Wärmeübertrager befindet. Unter Energieaufwand wird im Sommer das Silicagel getrocknet und es steht unter hoher innerer Spannung. Im Winter wird es ein wenig belüftet und Schritt für Schritt auf den Wasserdampf-Partialdruck der Umgebung gebracht. Die entstehende Wärme wird genutzt.

Der Vorteil von thermochemischen Wärmespeichern gegenüber konventionellen Wärmespeichern in Form eines Wassertanks liegt in ihrer höheren Speicherdichte von 200 bis 300 Kilowattstunden pro Kubikmeter gegenüber nur etwa 60 kWh/m³ bei Wasser. Außerdem kann die Energie über Jahre verlustfrei gespeichert werden.

Neben Silicagelen können auch Metallhydride oder Zeolithe als Wärmespeicher verwendet werden, die jedoch höhere Betriebstemperaturen benötigen.

Eine weitere Methode ist die solarthermische Reduktion von Metalloxiden zum Metall und Sauerstoff. Das Metall, etwa Zink, kann normalerweise problemslos gelagert und transportiert werden. In einem zweiten Schritt reagiert das Metall in einer exothermen Reaktion bei ca. 350 °C mit Wasser zum Metalloxid unter Freisetzung von Wasserstoff, der wiederum zur Energiegewinnung verbrannt werden kann.[1] Ein in der Entwicklung befindliches Verfahren ist das Solzinc-Verfahren.

Zahlen und Fakten

Wärmekapazität:

  • ca. 250 kWh/m³ (praktisch in Pilotanlagen erreichbar: ca. 130 kWh/m³)

Arbeitstemperatur:

  • Metallhydride: 280-500 °C
  • Silikagel: ca. 40-100 °C
  • Zeolithe: ca. 130- 300 °C

Anwendungen

Die meisten Anwendungen für Thermochemische Wärmespeicher befinden sich noch in der Entwicklung. Erkennbar ist jedoch ein breites Spektrum von Einsatzgebieten:

  • Natronlokomotive: eine 1883 entwickelte feuerlose Dampfspeicherlokomotivenbauart, die sich nicht durchgesetzt hat.
  • Saisonale Speicherung solarer Wärme: Sommerliche Wärme wird mittels Solarthermie eingefangen und im Winter zur Raumbeheizung und Warmwasserbereitung genutzt.
  • Lastausgleich in Fernwärmenetzen: In Niederlastzeiten – nachts und am Wochenende – nimmt der Speicher Fernwärme auf, zu Spitzenlastzeiten liefert er die Wärme anstelle des Fernwärmenetzes.
  • Luftentfeuchtung in Hallenbädern: Der Speicher nimmt Feuchtigkeit aus der Hallenluft auf und erwärmt die Luft gleichzeitig; überschüssige Wärme eines BHKW regeneriert den Speicher.
  • energiesparendes Trocknen in Geschirrspülmaschinen: Während des Aufheizens des Spülwassers wird der Speicher erhitzt und gibt Feuchtigkeit ab. Beim späteren Trocknen des Geschirrs nimmt der Speicher wieder Feuchtigkeit auf, gibt Wärme ab, beschleunigt durch beides den Trocknungsprozess und verringert die dazu benötigte Energie.
  • Kälte für Raumklimatisierung: Der Sorptionsspeicher adsorbiert Wasser bei Unterdruck; das restliche Wasser kühlt durch die entzogene Verdampfungsenthalpie ab. Die Sorptionswärme kann zusätzlich genutzt werden.
  • Adsorptionswärmepumpe: Der Speicher dient als Kurzzeit-Puffer für Solarwärme und wird mittels eines Erdgasbrenners regeneriert.[2]
  • Selbstkühlendes Bierfass: Der Wärmespeicher entzieht dem Bier am Einsatzort Wärme. Die Regeneration erfolgt durch Aufheizen in der Brauerei
  • Solarkühlschrank: Ähnliches Prinzip wie beim selbstkühlenden Bierfass. Der Wärmespeicher wird durch Solarthermie regeneriert und dann an einen Kühlschrank angeschlossen. Auf diese Weise können beispielsweise in abgelegenen Gebieten der Dritten Welt Medikamente gekühlt werden.

Die für Thermochemische Wärmespeicher notwendigen Investitionen sind derzeit (Stand 2007) noch hoch. Dementsprechend werden verstärkt Speichersysteme erforscht, die Wärme nicht über Monate, sondern bloß über Stunden speichern. Ziel ist, den Speicher häufiger zu nutzen und damit den Betriebskostenvorteil des einzelnen Speichervorgangs zu vervielfachen.

Einzelnachweise

  1. SOLZINC: PSI-Technologie für ein EU-Pilotprojekt, von Ulrich Frommherz, Stefan Kräupl, Robert Palumbo, Aldo Steinfeld, Christian Wieckert. www.pre.ethz.ch. Abgerufen am 22. Juni 2009.
  2. Zeolith-Gas-Wärmepumpe (abgerufen 17. Januar 2013)

Siehe auch

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