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Viele Salzhydrate gelten aufgrund ihrer enormen Energiespeicherdichte von über 2 GJ/m³ als aussichtsreiche Kandidaten zur thermochemischen Speicherung. Aufgrund kinetischer Probleme ergeben sich allerdings Grenzen für die technische Anwendbarkeit der reinen Salze. In der Vergangenheit gab es deshalb immer wieder Versuche, den Wärmeeffekt der Salzhydratation durch Dispersion des Salzes in poröse Trägermaterialien besser nutzbar zu machen. Allerdings geht dies prinzipiell nur zu Lasten der Energiespeicherdichte, die nun eine Funktion der Gesamtporosität und des Porenfüllgrades ist. Mesoporöse Materialien mit großen Oberflächen, beispielsweise Zeolite, in denen Sorptionswärme von Wasserdampf zur Speicherung genutzt wird, befinden sich bereits in der technischen Anwendung. Die Idee des hier beschriebenen Verbundrojektes ist es, die Vorteile beider Techniken, also der Sorptionsspeicherung und der Speicherung mit Salzhydraten, zu kombinieren. Zu diesem Zweck werden Kompositmaterialien entwickelt, die aus einem hinsichtlich seiner Porositätseigenschaften optimierten Material bestehen, in das ein geeignetes Salzhydrat eingebracht wird. Bei dem Trägermaterial handelt es sich um ein hierarchisches meso-makroporöses Material mit sehr hoher Makroposität, die für die reversible Hydratation von Salzen genutzt werden kann. Die Porenwände der Makroporen weisen selbst eine Mesoporosität auf und sind somit für die Sorptionsspeicherung nutzbar.

Im Rahmen des Vorhabens erfolgen sowohl die Synthese der porösen Materialien sowie die Herstellung von Kompositmaterialien und ihre Optimierung. Dabei werden verschiedene Salzhydrate in unterschiedlichen Trägermaterialien eingesetzt und die Porositätseigenschaften optimiert, um eine maximale Speicherdichte bei hoher Zyklenstabilität zu erzielen. Es handelt sich bei dem Vorhaben um ein Verbundprojekt, an dem Arbeitsgruppen der Universitäte Hamburg (Fachbereich Chemie, Institut für Anrorganische und Angewandte Chemie) sowie der Bauhaus-Universität Weimar (Lehrstuhl Bauchemie) beteiligt sind.

Hohe Speicherdichte erreichen

Gegenstand des Vorhabens sind Entwicklung und Optimierung einer Klasse von Komposit-Materialien zur thermochemischen Speicherung von Solarenergie. Diese Komposite bestehen aus einem hierarchisch strukturierten meso-makroporösen Trägermaterial, in dessen Makroporen ein anorganisches Salz eingelagert ist. Dadurch können die Vorteile von Wasserdampf-Sorptionsspeichern (Nutzung der Sorptionsenthalpie in den Mesoporen) sowie von Speichern, die auf der reversiblen Hydratation von Salzen beruhen (Nutzung der Hydratationsenthalpie in den Makroporen), kombiniert werden. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist die maßgeschneiderte Entwicklung solcher Komposit-Materialien.

Zur Erzielung hoher Speicherdichten müssen die Trägermaterialien eine hohe Porosität und Wärmeleitfähigkeit aufweisen und es sind gleichzeitig hohe Porenfüllungsgrade mit dem Hydratsalz erforderlich. Hohe Porenfüllungsgrade erfordern poröse Trägermaterialien ausreichender mechanischer Festigkeit (Zugfestigkeit), da bei der Hydratation und dem damit einhergehenden Wachstum eingeschlossener Kristalle Drücke auftreten, die das Trägermaterial schädigen und damit die Lebensdauer der Komposit-Materialien stark einschränken können. Um eine möglichst schnelle und vollständige Umsetzung bei der Hydratation zu gewährleisten, müssen die Porengrößen des Trägermaterials (d. h. die Kristallgröße im Porenraum), die Porenfüllungsgrade sowie die thermodynamischen Eigenschaften des eingelagerten Salzes aufeinander abgestimmt werden. Schließlich muss eine Abstimmung und Einbindung der Eigenschaften der Komposit-Materialien in das Gesamtkonzept der Prozessführung bei der Speicherung erfolgen. Hier sind insbesondere die Sorptionstemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit bei der Sorption zu nennen. Diese Größen beeinflussen entscheidend den Temperaturhub.

Die optimale Wahl der Porengröße

Im Rahmen des Vorhabens werden neue hierarchisch strukturierte meso-makroporöse Materialien synthetisiert. Die Sorptionseigenschaften dieser Materialien werden durch die mesoporös eingestellten Porenwände bestimmt, deren Porengrößen auf Grundlage von Wasserdampfsorptionmessungen optimiert werden. Die Eignung der Materialien als Trägermaterial für eingelagerte Salze zur thermochemischen Speicherung durch reversible Hydratation wird in erster Linie durch die Makroporosität bestimmt. Dabei spielen sowohl Gesamtvolumen und Größe der Poren als auch der Porenfüllgrad eine wesentliche Rolle. Im Sinne einer möglichst großen Speicherdichte ist das Ziel die Herstellung eines Materials mit möglichst hoher Makroporosität bei definierten Porengrößen. Die endgültige Wahl der Porengröße erfolgt dabei so, dass optimale Hydratationseigenschaften des eingelagerten Salzes resultieren. Dabei sind neben der Kinetik der Hydratation auch die auftretenden Hydratationsdrücke zu berücksichtigen. Ein weiteres Kriterium für das zu synthetisierende Material ist deshalb eine hohe mechanische Festigkeit. Die Wechselwirkung der verschiedenen Parameter hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Prozessführung der Wärmefreisetzung und den daraus resultierenden Temperaturhub. Versuche im Labormaßstab dienen dazu, die Prozessparameter Sorptionstemperatur und relative Luftfeuchtigkeit bei der Wärmefreisetzung zu optimieren.

Wirtschaftlichkeit und Dauerhaftigkeit

Thermochemische Energiespeicher mit optimierter Speicherdichte ermöglichen die saisonale Speicherung solarer Wärme. Durch ihren Einsatz können konventionelle Brennheizsysteme auch in Bestandshäusern im innerstädtischen Bereich zumindest teilweise ersetzt werden. Es wird somit ein Beitrag zur CO2-Reduktion geleistet. Die Wirtschaftlichkeit wird entscheidend von den Möglichkeiten einer industriellen Produktion der im Vorhaben entwickelten Materialien abhängig sein.

  • Im Teilprojekt 1 an der Universität Hamburg erfolgt die Synthese der hierarchisch strukturierten Trägermaterialien. Es handelt sich um dreidimensionale Netzwerke von Makroporen, in deren Porenwände Mesoporen integriert sind. Solche hierarchisch strukturierten Materialien werden durch templatgesteuerte Synthesen dargestellt, bei denen sphärische Polymer- oder Silica-Nanopartikel (NP) zu dichtesten Packungen angeordnet werden und dann als Harttemplate für die am Ende entstehenden Makroporen dienen. Die Zwischenräume in den dichtesten Packungen werden dann mit Hilfe geeigneter Silica- oder Polymervorläuferverbindungen in Gegenwart von supramolekularen Weichtemplaten (bilden am Ende die Mesoporen) infiltriert und es bildet sich ein Netzwerk aus Silica oder Polymer um die Nanopartikel. Nach Entfernung von Weich- und Harttemplat, bleibt ein meso-makroporöses Material zurück.

  • Im Teilprojekt 2 an der Universität Hamburg liegt das Hauptaugenmerk auf Untersuchungen zu Thermodynamik und Kinetik der für die Energiefreisetzung relevanten Hydratationsreaktionen. Zunächst gilt es geeignete Salze zu identifizieren und durch Phasendiagramme zu charakterisieren. Daneben erfolgt eine umfassende Untersuchung von Phasenumwandlungen in den porösen Trägermaterialien, wobei alle relevanten Reaktionen, die zugrundeliegenden Gleichgewichtsphasendiagramme, die Reaktionskinetik und die dabei umgesetzten Enthalpien betrachtet werden. Basierend auf diesen experimentellen Untersuchungen sowie von Modellrechnungen erfolgt dann in Abstimmung mit den Kooperationspartnern die Optimierung der Eigenschaften der Trägermaterialien (Porengrößen, Porenfüllgrade) und der Prozessparameter in einem Reaktor.

  • Im Teilprojekt der Bauhaus-Universität Weimar wird ein Laborspeicher konzipiert und betrieben, mit dem die Parameter der Prozessführung auf die Wärmespeicherfähigkeit der Kompositmaterialien überprüft und optimiert werden können. Weitere Arbeitsschwerpunkte bestehen in der Charakterisierung der Komposit-Speichermaterialien bezüglich der Wärmespeicherdichte, der Wärmeleitfähigkeit sowie der Zyklenstabilität, welche entscheidende Kriterien zur Verbesserung und Entwicklung leistungsfähiger Materialien zur thermochemischen Wärmespeicherung darstellen.
Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

22. August 2017
Intersolar South America

12. September 2017
Energiespeicher & Energieeffizienz 2017

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

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