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Thermischer Speicher
BMWi
Kompositmaterialien 7.7.2016

In der ersten Projektphase haben Wissenschaftler salzimprägnierte Zeolithe entwickelt und charakterisieren die Komponenten des chemisch-sorptiven Wärmespeichers.
© Institut für Technische Chemie

Langzeitwärmespeicher zur Gebäudebeheizung

Wissenschaftler des Instituts für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart entwickelten gemeinsam mit Partnern im Projekt EnErChem einen thermochemischen Energiespeicher für die Gebäudebeheizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern. EnErChem baut auf dem Vorgängerprojekt „Chemische Wärmespeicherung mittels reversibler Feststoff-Gasreaktionen“ auf. Eine Demonstrationsanlage zeigt, dass der Speicher auch realen Bedingungen standhalten kann.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Speichereffekt Sorption (Ad-/Absorption; Zeolithe)
Speicherkonstruktion segmentiert
Hilfseinrichtungen Ventile, Sensorik
Speicherkapazität 2 bis 10 MWh
Energiespeicherdichte > 200 kWh/m³
Zyklenzahl 1
Speicherzeit lang (saisonal)
Ladetemperatur > 130 °C
Entladetemperatur 35 °C
Temperaturtyp Niedertemperatur
Projektlaufzeit Dezember 2012 bis Mai 2016

Die chemisch-sorptive Wärmespeicherung ist ein stark interdisziplinäres Forschungsgebiet. Es umfasst die Bereiche der Materialentwicklung zur Herstellung und Optimierung von Speichermaterialien sowie der thermischen und chemischen Verfahrenstechnik zur Verfahrens- und Komponentenentwicklung.
Um diesen fachübergreifende Thematik zu begegnen, wird in diesem Projekt die Verfahrensentwicklung und Materialentwicklung in enger Zusammenarbeit durchgeführt. Dies ermöglicht es, das Verfahren, wie Reaktordesign und Reaktionsführung, optimal auf die Charakteristik des Speichermaterials, wie Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionswärme abzustimmen. Gleichzeitig orientiert sich die Materialentwicklung an den Randbedingungen, die sich aus dem Verfahren ergeben. So ist das Ziel nicht nur eine Erhöhung der thermischen Speicherdichte der Speichermaterialien sonder gleichzeitig die Verbesserung des Wärme- und Stofftransports bei der thermischen Speicherbe- und -entladung. Durch diesen interdisziplinären Ansatz wird der chemisch-sorptive Wärmespeicher ganzheitlich betrachtet. Eine zielgerichtete Optimierung von Speichermaterial und Verfahren ist dadurch möglich.

  • Die Grafik zeigt die schematische Darstellung der Gesamtanlage eines thermochemischen Energiespeichers mit Materialbevorratung und Wärmeübertragungseinheit. © ITW Stuttgart
  • Ausgelagert: Hier ist ein Laborprototyp des externen Reaktors zu sehen. © ITW Stuttgart
  • Die Abbildung zeigt entwickelte binderfreie Zeolithe mit und ohne Magnesiumsulfat-Imprägnierung. © Institut für Technische Chemie
  • In der ersten Projektphase haben Wissenschaftler salzimprägnierte Zeolithe entwickelt und charakterisieren die Komponenten des chemisch-sorptiven Wärmespeichers. © Institut für Technische Chemie

Eine hohe Speicherdichte und eine verlustfreie Wärmespeicherung ist insbesondere für Langzeitwärmespeicherung ein entscheidendes Kriterium, um ein geringes Speichervolumen und eine hohe Effizienz der Wärmespeicherung zu erzielen. Dies lässt sich durch eine chemisch-sorptive Wärmespeicherung realisieren. Jedoch steht die Verfahrensentwicklung und technische Umsetzung der chemisch-sorptiven Wärmespeicher noch in den Anfängen der Entwicklung. Ziel des Projektes „Entwicklung und Erprobung eines chemisch-sorptiven Langzeitwärmespeichers für die Gebäudeheizung“ – kurz EnErChem – ist die technische Machbarkeit und die hohe thermische Leistungsfähigkeit dieser Speichertechnik aufzuzeigen und damit die Verfahrensentwicklung weiter voranzutreiben. Das Projekt ist ein direktes Nachfolgeprojekt des Verbundprojekts „Chemische Wärmespeicherung mittels reversibler Feststoff-Gasreaktionen“ (CWS). Die dort erarbeiteten und im Labor erprobten Verfahren zur chemisch-sorptiven Langzeitwärmespeicherung werden weiterentwickelt und in einer Demonstrationsanlage umgesetzt.

In EnErChem werden drei Einsatzbereiche des chemisch-sorptiven Wärmespeichers untersucht: saisonaler Wärmespeicher für solarthermische Anlagen, für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) und für Photovoltaik-Anlagen.
Eine Besonderheit dieses Projekts ist die enge Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaftlern und Ingenieuren. Dies ermöglicht eine zielgerichtete Abstimmung des zu entwickelnden Verfahrens auf die Charakteristik der Speichermaterialien und umgekehrt. Am Ende des Projekts sollen folgende Ziele erreicht sein:

  • erprobte Demonstrationsanlage eines chemisch-sorptiven Wärmespeichers für den Einsatz in ein Gebäudeheizsystem sowie
  • erprobte hocheffiziente Speichermaterialien aus Zeolith und Salz(en) für den Einsatz in  chemisch-sorptiven Wärmespeichern.

Speicherkapazität und thermische Speicherleistung getrennt

Im Projekt wollen Wissenschaftler die technische Machbarkeit und die thermische Leistungsfähigkeit von thermochemischen Energiespeichern mit einer Demonstrationsanlage aufzeigen.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines effizienten chemisch-sorptiven Langzeitwärmespeichers für die Gebäudebeheizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern. Das entwickelte Verfahren beruht auf einem in einer offenen Prozessführung betriebenen chemisch-sorptiven Wärmespeicher. Umgebungsluft wird als Transportmedium für den Wärme- und Stofftransport (Wasserdampf) genutzt. Die Forscher der beiden Universitäten Stuttgart und Leipzig und des Chemiewerks in Köstritz verfolgen dabei ein externes Reaktorkonzept, also eine örtliche Trennung zwischen Speichermaterial-Bevorratung und Speichermaterialbe- und -entladung. Dadurch wird die Speicherkapazität (Volumen des Materialspeichers) von der thermischen Leistung des Speichers (Reaktor) getrennt. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Einsatzbereichs, da Reaktor und Material-Bevorratung unabhängig voneinander skaliert werden können.
Als Speichermaterialien werden Komposit-Materialien aus Zeolith und Salz(en) eingesetzt, die ebenfalls im Projekt entwickelt werden. Neben einer nahezu verlustfreien Wärmespeicherung ermöglichen diese Komposit-Materialien eine kompakte Wärmespeicherung mit hoher Speicherdichte. Dadurch lässt sich das Speichervolumen gegenüber einem Warmwasserspeicher deutlich – etwa Faktor 3 – reduzieren. Insbesondere für eine saisonale Wärmespeicherung ist dies von großer Bedeutung.

Anschließend wird ein Prototyp eines chemisch-sorptiven Wärmespeichers gebaut und in ein reales Heizsystem integriert. Mit einer Demonstrationsanlage gewinnen die Forscher praktische Erfahrungen mit einem chemisch-sorptiven Wärmespeichers unter realen Betriebsbedingungen.

In drei Etappen zur Demonstrationsanlage

In der ersten Projektphase fand die Auslegung und Dimensionierung des thermochemischen Energiespeichers statt. Dies umfasste die Entwicklung und Charakterisierung von salzimprägnierten Zeolithen, sowie die Dimensionierung und Fertigung der Komponenten des chemisch-sorptiven Wärmespeichers. In der Projektphase 2 (2014) findet eine experimentelle Prüfung der Komponenten sowie des Gesamtsystems auf einem Hardware-In-the-Loop-Prüfstand statt. Im Vordergrund steht dabei eine detaillierte Analyse des Wärme- und Stofftransports der neuen Speichermaterialien und die Ermittlung der thermischen Leistungsfähigkeit der Komponenten sowie des chemsich-sorptiven Energiespeichers. In der dritten Projektphase (2015) findet die technische Umsetzung und Prüfung der Demonstrationsanlage statt. Neben der Ermittlung der thermischen Leistungsfähigkeit unter realen Betriebsbedingungen sammeln die Forscher zusätzlich Erfahrungen hinsichtlich Inbetriebnahme, Betriebszuverlässigkeit und Wartung.

Teilvorhaben

Im Teilvorhaben A wird der Fokus auf die Weiterentwicklung und Prüfung des chemisch-sorptiven Wärmespeichers gelegt. Eine besondere Herausforderung liegt dabei in der Entwicklung des Reaktors, in dem die wärme- und stoffübertragende Prozesse stattfinden.  Mit numerischen Modellen wird die thermische Be- und Entladung des chemisch-sorptiven Wärmespeichers abgebildet. Damit können die physikalischen und thermischen Vorgänge analysiert  und eine optimierte Reaktor- und Wärmeübertragergeometrie entwickelt werden.
Im Rahmen einer Hardware-In-the-Loop-Prüfung wird die thermische Leistungsfähigkeit der entwickelten Einzelkomponenten sowie der Gesamtanlage ermittelt und gegebenenfalls Optimierungsmaßnahmen abgeleitet.

Der Fokus des Teilvorhabens B liegt auf der Optimierung der Speichermaterialien. Ziel ist es neue grundlegende Erkenntnisse über die Kompositmaterialienaus Zeolith und Salz(en) zu gewinnen. Dies umfasst insbesondere ein besseres Verständnis über die physikalisch-chemischen Abläufe im Porenraum der Kompositmaterialien. Damit soll erreicht werden, dass - zielgerichtet für das Einsatzgebiet - neue Speichermaterialien mit verbesserten chemischen und thermischen Eigenschaften  hergestellt werden können.

Das Teilvorhaben C setzt den Schwerpunkt auf die Realisierung und Erprobung der Gesamtanlage einer Heizungsanlage mit chemisch-sorptiven Wärmespeicher.  Die Anlagenkonfiguration für die unterschiedlichen Einsatzbereiche (Solarthermie, Krakt-Wärme-Kopplung, Photovoltaik) wird ausgearbeitet. Mit Hilfe von Jahresanlagensimulationen erfolgt die Auslegung und Dimensionierung des chemisch-sorptiven Wärmespeichers.
Für einen Einsatzbereich erfolgt die technische Realisierung der Gesamtanlage in Form einer Demonstrationsanlage. Unter realen Betriebsbedingungen wird die Gesamtanlage erprobt.

Im Teilvorhaben D wird ein Produktionsverfahren zur industriellen Fertigung der im Teilvorhaben B entwickelten Speichermaterialien entwickelt. Dies umfasst die Entwicklung von Methoden zur seriellen Herstellung und zur Qualitätskontrolle.

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. Henner Kerskes
    Universität Stuttgart – Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

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