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Interview | 16.5.2017
Dr. Barbara Zeidler-Fandrich im Interview

„Wir erreichen hohe Energiedichten“

Die Projekleiterin von SOLIDSTORE Dr. Barbara Zeidler-Fandrich erläutert im Interview, wie sich Säure-Basen-Reaktionen für thermische Energiespeicher nutzen lassen.
© Fraunhofer UMSICHT
Die Mitarbeiter Sarah Peters und Heiko Lohmann diskutieren Messergebnisse.
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Barbara Zeidler-Fandrich und Heiko Lohmann mit einem Sensor zur Messung der Wärmeleitfähigkeit. Im Hintergrund steht der Temperierofen des HotDisk-Geräts.
© Fraunhofer UMSICHT

Im Projekt SOLIDSTORE entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT neue thermochemische Wärmespeichermaterialien für einen Anwendungsbereich zwischen 150 und 300 Grad Celsius. Der Fokus liegt dabei auf der Wärmespeicherung in einem möglichst kleinen Volumen. Im Interview spricht die Projektleiterin Dr. Barbara Zeidler-Fandrich über ihre grundlagenorientierte Forschung.

forschung-energiespeicher.info: Sie erforschen Säure-Basen-Reaktionen, mit denen sich vielleicht thermochemischen Wärmespeicher realisieren lassen. Im Fokus stehen dabei Guanidine. Können Sie uns diese Stoffe ein wenig näher bringen?
Dr. Barbara Zeidler-Fandrich: Guanidine sind stickstoffhaltige Substanzen, die zum Teil auch in der Natur, zum Beispiel in in Zuckerrübensaft vorkommen und aufgrund ihrer Molekülstruktur zu den stärksten organischen Basen, also den organischen „Superbasen“ zählen. Es handelt sich um eine Base nach dem Lewis-Säure-Basen-Konzept. Sie liefert ein Elektronenpaar, das von der Säure aufgenommen wird. Reaktionspartner können im Prinzip alle organischen Säuren sein, die über eine Elektronenlücke verfügen.

Sie nutzen also den Energieumsatz dieser Säure-Basen-Reaktion zur Wärmespeicherung?
Zeidler-Fandrich: Ja, das ist das Ziel. Unsere Arbeiten sind aber noch sehr stark grundlagenorientiert. Wir haben angefangen verschiedene organische Säuren mit den Guanidinen zusammen zu bringen, um zu sehen, wie sie reagieren und welche Reaktionswärme frei wird.

Welche Stoffpaare sind Erfolg versprechend?
Zeidler-Fandrich: Wir sind auf eine Kombination von Tetramethylguanidin mit Brenztraubensäure gekommen. Brenztraubensäure ist eine sehr starke Säure. Von daher verwundert es nicht, dass die Reaktion relativ große Energiemengen freisetzt. Im weiteren Verlauf unserer Untersuchung haben wir allerdings festgestellt, dass sich die Brenztraubensäure bei der Reaktion zersetzt. Wenn man mehrere Zyklen hintereinander fährt – und dies geschieht ja bei thermischen Energiespeichern – dann ist das Kohlendioxid der eigentliche Reaktionspartner. Diese Grundreaktion, Tetramethylguanidin mit CO2, haben wir in weiteren Versuchen untersucht und charakterisiert.

Stabile Messdaten bei mehr als 30 Zyklen

Wie kann ich mir das praktisch vorstellen? Kohlendioxid ist ein Gas, in welcher Form liegt das Guanidin vor?
Zeidler-Fandrich: Es kommt darauf an, welches Derivat Sie haben. Unser Tetramethylguanidin liegt bei Raumtemperatur flüssig vor. Wir haben das CO2 einfach dadurch strömen lassen, um das erste Produkt zu synthetisieren – also ein ganz einfacher Versuch.
Als Reaktionsprodukt erhalten wir einen kristallinen Feststoff. Dieser ist Ausgangsprodukt für unsere weiteren Untersuchungen. Wir haben ihn immer wieder aufgeheizt und abgekühlt, um zu sehen, ob wir die Reaktion umkehren können und ob sich das Produkt immer wieder in den Ausgangsstoff und CO2 aufspalten und dann wieder zusammenführen lässt.

Waren Sie erfolgreich?
Zeidler-Fandrich: In einem abgeschlossenen Behälter funktioniert es. Das haben wir im Milligramm-Maßstab gezeigt. Wir haben den Hochdrucktiegel immer wieder erhitzt und abgekühlt. In über 30 Zyklen haben wir erfreuliche und stabile Messdaten erhalten. Das klappt.

Wenn also Wärme zugeführt wird, zersetzt sich der Ausgangsstoff in Tetramethylguanidin und CO2?
Zeidler-Fandrich: Genau. Das CO2 ist bei Raumtemperatur ein Gas und Tetramethylguanidin ist flüssig. Deshalb ist die Trennung entsprechend leicht. Man kann die Substanzen in unterschiedlichen Behältern speichern und bei Bedarf wieder zusammenführen. So die Theorie. Getestet haben wir das aber nicht.

Das klingt zunächst recht einfach. Sehen Sie Probleme für die Praxis, wie Giftigkeit, Verfügbarkeit oder Preis?
Zeidler-Fandrich: Alle starken Basen wirken sehr korrosiv. Es könnte sich ein Werkstoffproblem ergeben. Gerade was die Dichtungen angeht. Bei höheren Temperaturen wird das Tetramethylguanidin dampfförmig. Dann werden Handling und Stofftrennung schwieriger.

Die Zukunft liegt in den polymeren Strukturen

Wo könnte dann die Lösung liegen?
Zeidler-Fandrich: Wir haben sehr stark mit den monomeren Strukturen gearbeitet, um uns erst einmal der Thematik zu nähern, doch die Zukunft liegt eher in den polymeren Strukturen, weil sie einfach leichter handhabbar sind.

Wo liegt der entscheidende Unterschied?
Zeidler-Fandrich: Eine monomere Struktur ist ein relativ kleines Molekül. Polymere Strukturen haben ein höheres Molekulargewicht. Sie sind also stabiler und nicht so empfindlich. Sie liegen auch oft nicht als Flüssigkeit vor, sondern als Feststoff. In unseren Untersuchungen haben wir speziell solche Substanzen eingesetzt, die als Zwischenprodukte in der chemischen Industrie kommerziell leicht erhältlich sind.

Über welche Temperaturniveaus sprechen wir eigentlich bei diesen Stoffen?
Zeidler-Fandrich: Bei den monomeren Substanzen haben wir einen Temperaturbereich von 40 bis 220 Grad Celsius überfahren. Um den Speicher zu regenerieren, benötigt man Temperaturen oberhalb von 220 Grad Celsius. Bei den polymeren Substanzen waren wir nicht ganz so hoch. Dort lagen wir bei maximal 120 bis 130 Grad Celsius.

Wo liegt der Vorteil gegenüber etablierten chemischen oder sorptiven Speichern?
Zeidler-Fandrich: Wir erzielen relativ hohe Energiedichten. Ich muss aber auch einschränkend sagen, wir liegen in einem entsprechend weiten Temperaturbereich. Man muss immer schauen, womit man das vergleicht.

Wo sehen Sie Anwendungsmöglichkeiten?
Zeidler-Fandrich: Ich kann nur einem ganz groben Blick in die Zukunft geben. Insbesondere industrielle Prozesse kommen in Frage, die diskontinuierlich laufen, Wärme zwischenspeichern müssen und zum Temperaturniveau passen. Speziell Trocknungsprozesse sind denkbar. Das müssten wir aber verifizieren, wenn wir in der Forschung weiter sind. Da wir bislang nur im Labormaßstab gearbeitet haben, ist es ganz schwer schon über technische Anwendungen zu sprechen.

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