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Thermischer Speicher
BMWi
Sorptionswärmespeicher 12.4.2017

Aus den Walnussschalen wird Aktivkohle (rechts) produziert.
© Fraunhofer ISE

Aktivkohle für sorptive Wärmespeicher

Aktivkohle kann aus einer Vielzahl kohlenstoffhaltiger Ausgangsmateriealien hergestellt werden. Auch für die Karbonisierung und Aktivierung sind verschiedene Verfahren etabliert und im kommerziellen Einsatz. Im Projekt HyAktiv optimieren Forscher Aktivkohlen und stellen in einem weiteren Schritt Formkörper zur Verwendung in offenen Sorptionssystemen her. Anschließend wird das System im Laborspeicher getestet.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Speichereffekt Sorption (Ad-/Absorptionswärme)
Temperaturtyp Niedertemperatur
Speicherung/Ladung direkt
Speicherzeit lang (saisonal)
Zyklenzahl 30-50, je nach Anwendung auch darüber
Ladetemperatur(-bereich) 70 bis 120 °C
Entladetemperatur(-bereich) 25 bis 40 °C
Speicherkapazität 3.600kJ
Energiespeicherdichte >360 MJ/m³
Projektlaufzeit Dezember 2013 bis Mai 2017

Der zentrale Punkt des Entwicklungsprojektes ist eine gezielte Anpassung der Sorptionseigenschaften von Aktivkohle auf spezifische Anwendungsbedingungen, wie beispielsweise Wasseradsorption in einem offenen Sorptionswärmespeicher. Die Optimierungskriterien umfassen dabei sämtliche Parameter, wie etwa Herstellungskosten und Primärenergieaufwand, Beladungs- bzw. Speicherkapazität, Entladeleistung sowie Materialstabilität über die typische Produktlebensdauer.

  • Die Abbildung zeigt einen Formkörper mit Zelldichten zwischen 300 und 600 cpsi. © Dinex GmbH
  • Beladungskapazität modifizierter Aktivkohle im Vergleich mit Referenzmaterialien © Fraunhofer ISE
  • Einbau einer Probe in ein Messgerät zur  Bestimmung der Porenradienverteilung (Hg-Porosimetrie) © Fraunhofer ISE
  • Porenradienverteilungen unbehandelter und modifizierter Aktivkohlen © Fraunhofer ISE
  • Der Fraunhofer Wissenschaftler Dr. Stefan Henninger befüllt den Drehrohrofen mit Walnussschalen, dem Ausgangsmaterial. © Fraunhofer ISE
  • Seitlicher Blick in das Quarzrohr des Drehrohrofens während des Karbonisierungsvorgangs © Fraunhofer ISE
  • Geöffneter Drehrohrofen: Pyrolysegase entzünden sich unter Flammenbildung. © Fraunhofer ISE
  • Aus den Walnussschalen wird Aktivkohle (rechts) produziert. © Fraunhofer ISE

Der Einsatz von Aktivkohlen zur Wasseradsorption, beispielsweise in saisonalen Sorptionswärmespeichern, war bislang aufgrund der hydrophoben Eigenschaften nicht möglich. Durch den Projektansatz der Hydrophilisierung der Aktivkohle kann diese primärenergetisch und ökonomisch interessante Materialklasse für das Adsorptiv-Wasser erschlossen werden. Durch die gezielte Auswahl und Optimierung von Ausgangsmaterial, Karbonisierung/Aktivierung und post-präparative Modifikation kann ein auf das Adsorptiv-Wasser angepasstes Adsorptionsverhalten erreicht werden. Aus den optimierten Aktivkohlen werden in einem weiteren Schritt Formkörper zur Verwendung in offenen Sorptionssystemen hergestellt, und deren Einsatz in einem Laborspeicher demonstriert.

Projektablauf

In der ersten Projektphase werden die Grundlagen für die folgenden experimentellen Arbeitspakete erarbeitet. Diese beinhaltet Literaturrecherchen zu Ausgangsmaterialien und Umsetzungsverfahren sowie die Evaluation kommerziell verfügbarer Aktivkohlen. Darauffolgend wird nach rund sechs Monaten mit den Arbeiten zur Optimierung der Aktivkohlen sowie der Formgebung begonnen, diese werden durch eine kontinuierliche Charakterisierung der Materialeigenschaften begleitet. Nach erfolgreicher Umsetzung dieser Arbeiten schließt sich im letzten Projekthalbjahr die Demonstration der entwickelten Materialien und Formkörper in einem Laborreaktor an.

Die wichtigsten Meilensteine (nach ca. 1,5 und 2 Jahren) beinhalten den Nachweis der hydrothermalen Stabilität des optimierten Materials sowie das Erreichen einer deutlich gesteigerten Wasseraufnahmekapazität.

Ökonomische und ökologische Vorteile der Aktivkohle

Aufbauend auf vorangegangene Forschungsvorhaben und prinzipielle Berechnungen zur (saisonalen) Wärmespeicherung durch Adsorption haben es sich die Forscher zur zentralen Aufgabe gemacht, den Speicheraufbau und das Speichermaterial aus primärenergetischer und ökonomischer Sicht so günstig wie möglich herzustellen. Aktivkohlen haben in Bezug auf die Grundstoffe und die Herstellung deutliche Vorteile gegenüber solvothermal produzierten Materialien, etwa wie Zeolith. Durch eine nachgeschaltete Modifikation der inneren Oberfläche der Aktivkohle lässt es sich auch für die Adsorption von Wasser einsetzen. Es ist das unkritischste aller Adsorptive und Kältemittel und ideal wegen der großen Verdampfungsenthalpie für Wärmespeicherung.

Durch eine Oxidationsbehandlung lassen sich verschiedene funktionale Gruppen an der inneren Oberfläche der Aktivkohle erzeugen und fixieren, welche wiederum in der Adsorption als bevorzugte Adsorptionsplätze die Adsorptionscharakteristik maßgeblich beeinflussen. Durch die Art der Behandlung lassen sich die Eigenschaften gezielt auf die Anwendungsbedingungen anpassen. Durch die Kombination aus einem kostengünstigen Ausgangsmaterial und angepasster Modifikation lässt sich ein Sorptionsmaterial herstellen, welches mit aufwendig produzierten Materialien konkurrieren kann. Gerade für die Wärmespeicheranwendung auf Basis von Adsorption ist dies ein wichtiger Schritt in Richtung ökonomischer und primärenergetischer Amortisation der Investitionskosten des Speichers.

Die Materialien sollen ihre Sorptionseigenschaften unter den Anwendungsbedingungen über die gesamte Lebensdauer des Wärmespeichers beibehalten. Dies ist gerade für modifizierte Materialien und Bedingungen mit hoher Feuchtigkeit und hohen Temperaturen ein wichtiger Faktor. Entsprechende Alterungstests sollen über den gesamten Projektverlauf  daher die Stabilität sicherstellen. Die Forscher greifen dabei auf mehrere Anlagen, welche sowohl geschlossenen als auch offene Sorptionssysteme genutzt werden, sowie auf mehrjährige Erfahrung mit hydrothermalen Belastungstests zurück.

Optimierung der Aktivkohlen
Der zentrale Teil des Projekts beschäftigt sich sowohl mit der post-präparativen Modifikation der Aktivkohle, als auch mit der Aktivkohleherstellung – insbesondere der physikalischen und chemischen Aktivierung. Durch die Modifikation sollen die gewünschten Sorptionseigenschaften gezielt erzeugt werden. Auf diese Weise lassen sich die Eignung bestimmter Ausgansmaterialien für Untersuchungen zur Aktivierung für die jeweilige spezifische Modifikation evaluieren.

Formgebung
Für effiziente Prozesse, welche einen guten Stoff- und Wärmetransport kombinieren, sind strömungstechnisch optimierte Komponenten mit guten Wärmeleiteigenschaften erforderlich. Der Projektpartner Dinex wird aus den optimierten Aktivkohlen Formkörper herstellen, mechanische Stabilität, geringen Druckverlust, gute Wärmeleitung und eine schnelle Adsorptionskinetik miteinander zu vereinen.

Charakterisierung
Um die Optimierung der Aktivkohlen zu realisieren, werden die Materialeigenschaften kontinuierlich untersucht und durch die Ergebnisse wiederum für weitere Entwicklungsschritte bei der Modifikation abgeleitet. Die Analysen umfassen dabei Gas- und Wassersorption, Untersuchung der Oberflächenaktivierung, Quecksilberintrusion, Wärmeleitfähigkeitsmessung sowie zyklische hydrothermale und mechanische Belastungstests.

Demonstration und Laborspeicher
Schließlich erfolgt der Aufbau eines Laborspeichers bzw. Demonstrators mit circa fünf bis zehn Liter Volumen. Hierzu werden die zugehörigen Wabenkörper hergestellt, zu einem Gesamtadsorber verklebt und in ein Gehäuse eingebaut. Geplant ist ein offenes System mit feinzelligen Wabenstrukturen. Der Laborspeicher kann mittels Luftzirkulation sowie einem Heizregister geladen werden, die Entladung erfolgt über die Zirkulation befeuchteter Luft und Entnahme der Wärme an einem Luft/Wasser-Wärmetauscher.

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

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Forschungsförderung

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