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Thermischer Speicher
BMBF
Komposit-Materialien 16.2.2016

Die beiden Wissenschaftler Jakob Eggebrecht (l.) und Jane Venus begutachten beschichtete Schäume.
© OvGU, NEOTHERM

Wärme in Aktivschichten speichern

Um Sonnenwärme für Privathaushalte und die Abwärme aus der Industrie besser nutzen zu können, konstruiert die Nachwuchsgruppe im Projekt NEOTHERM neuartige sorptive Speichermaterialien. Dafür untersuchen die Jungforscher, wie sich die entwickelten Materialien im großen Maßstab herstellen lassen. Diese können in Solarthermieanlagen oder bei der Nutzung von Abwärme aus Verbrennungsprozessen verwendet werden. Außerdem lassen sich spezielle Komposite in Wärmepumpen-Anwendungen zur Raumklimatisierung einsetzen.

Projektstatus Unterschiedliche Komposite sind hergestellt; Modifizierungen an Aktivmaterialien laufen; Charakterisierung und Testung
Temperaturtyp Es werden Materialien für einen niedrigeren Temperaturbereich (MOFs; ca. 60-150/200 °C → Wärmepumpenanwendung) und für einen höheren Temperaturbereich (Zeolithe und zeolithartige Verbindungen; ca. 250-400 °C → Wärmespeicheranwendung) untersucht.
Speicherung/Ladung wird im Projekt, je nach Anwendungsaussicht, evaluiert
Speicherzeit beliebig lang (bei hermetischem Feuchtigkeitsausschluss)
Zyklenzahl anwendungsabhängig; angestrebt sind mehrere hundert Zyklen
Lade- und Entladetemperatur wird im Projekt untersucht
Speicherkapazität wird im Projekt untersucht
Speicherdichte wird im Projekt untersucht
Projektlaufzeit Juni 2013 bis Mai 2018

Wärme ist ein hoher Kostenfaktor, sowohl bei industriellen Prozessen als auch im Privathaushalt. Prinzipiell stellt die Sonne genügend kostenfreie Wärme zur Verfügung, jedoch stimmt das zeitliche Angebot am Tag oder im Sommer nicht mit dem Bedarf bei Nacht oder im Winter überein. Eine effiziente Speicherung von Wärme kann hier Abhilfe schaffen. Eine Möglichkeit zur Wärmespeicherung ist die sorptive Wärmespeicherung: Die Wärmerückgewinnung beruht dabei auf der Immobilisierung beziehungsweise Kondensation von kleinen Molekülen in mikroporösen Materialien mit großen, inneren Oberflächen und Mikroporenvolumina. Gespeichert wird die Wärme durch den umgekehrten Vorgang, der sogenannten Desorption der Moleküle aus den Aktivmaterialien.
Um an Oberflächen angelagerte (adsorbierte) Moleküle wieder zu mobilisieren und aus den Mikroporen zu entfernen, muss Energie zugeführt werden. Dies kann durch thermische Energie – also Wärme – aus der Umgebung erfolgen. Die Wärme wird dabei im Material „eingespeichert“. Spürbar wird ein solcher Übergang von Wärme auf Moleküle beim Entfernen von Wassermolekülen von der menschlichen Haut. Die Energie wird benötigt, um die Moleküle voneinander (Verdampfen) und von der Haut (Desorption) zu trennen. Diese Energie wird in Form von Wärme aus der Haut entnommen was als im Volksmund  Verdunstungskälte“ genannt, zu fühlen ist.
Wieder abgerufen wird die gespeicherte Wärme beim Vorgang der Adsorption d. h. der Einlagerung von Molekülen in Mikroporen. Hierbei geben die Moleküle ihre kinetische Energie ab und Wärme wird freigesetzt. Das Material heizt sich auf und dient als Wärmequelle. Je nach Material kann hier eine deutlich fühlbare Erwärmung stattfinden. Zeolithe können zum Beispiel über 100 °C heiß werden.

  • Die NEOTHERM-Projektleiterin Dr. Alexandra Lieb baut das Röntgendiffraktometer zur Untersuchung neuer Materialien um. © OvGU, NEOTHERM
  • Darstellung der Oberfläche (blau) in einem MOF-Material. © OvGU, NEOTHERM, Ulf Betke
  • Der Mitarbeiter Jakob Eggebrecht beschichtet thermisch leitfähige Schäume. © OvGU, NEOTHERM
  • Schaubild der Vorgänge bei der sorptiven Energiespeicherung mit Energiebilanz (in Anlehnung an die Dissertation von Dr. Andreas Hauer, TU Berlin, 2002). © OvGU, NEOTHERM, Jakob Eggebrecht
  • Der Jungforscher Dr. Ulf Betke zeigt eine MOF-Aktivschicht auf einem zellularen Trägermaterial. © OvGU, NEOTHERM
  • Die junge Wissenschaftlerin Jane Venus präpariert Proben zur Untersuchung neuer Aktivmaterialien. © OvGU, NEOTHERM
  • Die beiden Wissenschaftler Jakob Eggebrecht (l.) und Jane Venus begutachten beschichtete Schäume. © OvGU, NEOTHERM
  • Mitarbeiter der BMBF-Nachwuchsforschergruppe 2015 von links nach rechts: M. Sc. Jakob Eggebrecht, Dr. Ulf Betke, Dr. Alexanda Lieb, M. Sc. Juliane Willkomm. © OvGU, NEOTHERM

Aktivschichten speichern Energie effektiv

Der Vorgang der Anlagerung (Adsorption) an und der Entfernung (Desorption) von Molekülen von Oberflächen kann zur Wärmespeicherung genutzt werden. Bei der Desorption wird die Energie gespeichert, bei der Adsorption wird die Wärme wieder frei. Hierbei wird die kinetische Energie von Molekülen mit Hilfe des aktivierten Speichermaterials freigesetzt und als Wärme bereitgestellt. Um diesen Vorgang optimal zu nutzen sind sehr große Flächen nötig, wie man sie in mikroporösen Materialien vorfindet – beispielweise in Zeolithen oder MOFs, sogenannte metal-organic frameworks (Metall-organische Gerüstverbindungen). Zum effektiven Einsatz dieser Substanzen werden sie als Aktivschichten auf thermoleitfähige Trägerstrukturen aufgebracht, da sie als lose, feine Pulver nicht handhabbar sind. Pulverschüttungen blockieren Gasströme und erschweren so den Transport von Wassermolekülen in und aus den Aktivmaterialien. Makroporöse zellulare Trägerstrukturen ermöglichen die einfache Trocknung und Wiederbeladung der Aktivschichten durch einen hohen Massenfluss ohne signifikanten Druckverlust. Zusätzlich verbessern die thermoleitfähigen Träger das sogenannte Thermomanagement. Die beim Adsorptionsvorgang entstehende Wärme kann dann abgeleitet werden. Dies dient zum einen der Bereitstellung der Wärme für ihre jeweilige Nutzung und gewährleistet eine optimale Speicherentladung, da die Sorption weiterer Moleküle nicht durch Wärmestau blockiert wird. Nur so kann der Vorgang der Energiespeicherung und Rückgewinnung effektiv gestaltet werden.

Die Nachwuchsgruppe NEOTHERM untersucht sowohl zeolithartige Materialien als auch MOFs. Auf diese Weise kann ein weiter Temperaturbereich abgedeckt werden, der sich von einigen hundert Grad bis zu niedrigeren Temperaturen um etwa 40 °C erstreckt. Die Trägerung der Aktivmaterialien auf zellulare Strukturen (keramisch und metallisch) macht einen effektiven Einsatz möglich, da ein ausreichender Massen- und Wärmetransport gewährleistet wird. Durch die maßgeschneiderte Synthese der zellularen Trägermaterialien im Projekt kann die Anbindung der Aktivschichten hinsichtlich des Wärmeüberganges optimiert werden. Weiterhin können die Porositäten der Komponenten der Komposit-Materialien hierarchisch aufeinander abgestimmt werden und eine optimale Energiedichte bei ausreichendem Massenfluss erzielt werden.

Neue Speichermaterialien für Industrie und Privathaushalte

Ausgangspunkt und Anlass des Projektes ist die gewünschte Nutzung von „kostenloser“ Sonnenwärme und industrieller Abwärme. Ziel des Projektes ist die Bereitstellung von neuartigen Speichermaterialien für Wärmeenergie, die sowohl industrielle Abwärme nutzen sollen als auch im Privathaushalt zum Einsatz kommen, beispielsweise zur Speicherung von Wärme aus Solarthermieanlagen. Die Wärme wird sorptiv gespeichert und hierzu werden neuartige mikro-makroporöse Komposit-Materialien entwickelt. Beratend steht der Nachwuchsforschergruppe die Firma SorTech aus Halle zur Seite. Die zu entwickelnden Module können in unterschiedliche Anwendungen integriert werden, zum Beispiel zur effizienteren Nutzung von Solarthermieanlagen oder zur Abwärmenutzung bei Verbrennungsprozessen.

Die neuartigen Materialien werden hinsichtlich ihrer Energiespeicherfähigkeit sowohl in Bezug auf die Materialzusammensetzung als auch auf den makro-/mikroskopischen Aufbau des Porensystems (Transportporen, Speicherporen) optimiert. Dies wird durch die Synthese und eingehende Charakterisierung der Komposite, ergänzt durch Simulationen der Sorptionseigenschaften, erzielt.

Bis 2018 wird ein Demonstrator entwickelt

Das Projekt „Neuartige Komposit-Werkstoffe für die thermochemische Energiespeicherung“ (NEOTHERM) befindet sich derzeit in einem fortgeschrittenen Stadium. Einige Substanzen für die Aktivschichten der Komposit-Materialien sind hergestellt und charakterisiert, die Modifizierung der Aktivsubstanzen zur besseren Anpassung an die Zielsetzung wird weiter vorangetrieben; sowohl im Bereich der Zeolithe als auch der MOFs. Makroporöse Trägermaterialien wurden angeschafft (ob-SiC-Schaumkeramiken und metallische Schäume) und selbst hergestellt (Al2O3-Schaumkeramiken). An der optimalen Beschaffenheit der unterschiedlichen Schaumkeramiken wird weiter durch Optimierung der Schaumherstellung und/oder Oberflächenmodifizierungen gearbeitet. Die erforderlichen Charakterisierungsmethoden sind in der Nachwuchsgruppe etabliert oder wurden durch Kooperationen abgesichert.

Der dritte Meilenstein wurde Ende 2015 erreicht: Zellulare Materialien wurden mit MOFs und Zeolithen beschichtet. Die umfassende Untersuchung für die thermische Energiespeicherung relevanter Parameter der Komposite steht nun im Mittelpunkt der Materialcharakterisierung und dient der weiteren Optimierung der Komposit-Materialien. Bis Mitte 2017 fertigen die Wissenschaftler der Nachwuchsgruppe einen Demonstrator an, der die Funktionsweise der Komposit-Materialien zeigt. Im weiteren Projektverlauf erfolgt die Anfertigung von Komposit-Werkstücken im größeren Maßstab, dem sogenannten Scale-Up, auf eine für den Einsatz interessante Größe der Module – zunächst etwa 10 x 10 x 10 cm.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

25. September 2017
EU PVSEC 2017

26. September 2017
Batterien für Bordnetze, Hybrid- und Elektrofahrzeuge

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Dr. Alexandra Lieb
    Lehrstuhl für Technische Chemie, Institut für Chemie ICH an der Otto-von-Guericke-Universität
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.