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Thermischer Speicher
BMBF
Materialien und Komponenten 15.3.2017

Zeolithhaltige Speichermaterialien mit unterschiedlicher Formgebung: Im Projekt MAKSORE untersuchen Forscher unter anderem Zeolith, um die Energiedichte weiter zu steigern.
© Universität Stuttgart

Energiedichte von Wärmespeichern erhöhen

Wissenschaftler entwickeln Materialien und Komponenten für Wärmespeicher mit hoher Energiedichte weiter auf Basis von Sorptionsprozessen, also von Adsorption und Absorption. Bisher realisierte Sorptionsspeicher für Gebäude erreichen eine Energiedichte von rund 130 kWh/m³. Die Forscher wollen im Projekt MAKSORE eine effektiv nutzbare volumetrische Energiedichte von mindestens 180 kWh/m³ erreichen.

Projektstatus Suche nach geeignetem Material für Adsorptionsspeicher
Sorption (Ad-/Absorptionswärme) Zeolith, Andere: Salze, Salzmischungen, Komposite
Speicherkonstruktion Komposite / Wärmeübertragerstrukturen mit Sorptionsmaterial; Extrusionsfähige Komposite
Temperaturtyp Niedertemperatur
Speicherung/Ladung Indirekt
Speicherzeit kurz (Stunden bis Tage)
Zyklenzahl Es werden drei verschiedene Speicherkonzepte (Kurz- bis Langzeit) untersucht, Zyklenzahlen zwischen ~1/a und ~300/a
Ladetemperatur (-bereich) bis 250 °C
Entladetemperatur (-bereich) mindestens 40 °C oder 30 K Hub
Speicherkapazität skalierbar
Energiespeicherdichte 650 MJ/m³
Projektlaufzeit September 2014 bis März 2018

Sorptionswärmespeicher erlauben gegenüber thermischen Wärmespeichern, die auf Speicherung sogenannte fühlbarer Wärme (z. B. Warmwasserspeicher) beruhen, höhere Energiedichten, theoretisch eine verlustfreie Speicherung eines großen Teils der Wärme über lange Zeiträume und einen Zusatznutzen durch Kälteerzeugung bei der Speicherentladung. Einsatzgebiete finden sich in Gebäuden zur Speicherung von Solarwärme, zur Speicherung von KWK-Wärme (Kraft-Wärme-Kopplung, bzw. KWKK: Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung), aber auch im Bereich der Speicherung von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Quellen in Form von Wärme.

  • Das Kalorimeter wird für die Charakterisierung der Speichermaterialien eingesetzt und bestimmt Wasser-Adsorptionswärmen und Hydrationswärmen fester und flüssiger Sorbentien. © Dr. Jochen Jänchen
  • Der funktionale Zusammenhang von Enthalpie, Temperatur und Konzentration ist ein entscheidendes Beurteilungskriterium für die Anwendbarkeit von Speichermedien in einem von der Anwendung vorgegebenen Temperaturintervall. © ZAE Bayern
  • REM-Aufnahme eines Zeolith 13X, der mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung auf einem Edelstahlblech aufkristallisiert wurde. © Fraunhofer ISE
  • Zeolithhaltige Speichermaterialien mit unterschiedlicher Formgebung: Im Projekt MAKSORE untersuchen Forscher unter anderem Zeolith, um die Energiedichte weiter zu steigern. © Universität Stuttgart

Ein wichtiges Ziel für die Weiterentwicklung dieser Speichertechnologie ist es, die für die Anwendung effektiv nutzbare Energiedichte weiter zu erhöhen und so kompaktere, leichter in den Gebäudebestand integrierbare Speicher zu ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben sich für dieses Vorhaben führende Einrichtungen der angewandten Forschung an thermischen Speichern mit exzellenten Arbeitsgruppen aus der Grundlagenforschung zusammengetan, um die übergreifenden Fragestellungen zu Materialien und Wärme- und Stofftransportprozessen gemeinsam zu bearbeiten und hier Durchbrüche für die Anwendung zu erzielen.

Drei Speicherkonzepte sollen Speicherdichte erhöhen

Im Vorhaben wird grundlagenorientierte Material- und Verfahrensforschung sowie angewandte Forschung im Themenbereich von Sorptionsspeichern in einem Forschungsnetzwerk gebündelt. Bei Sorptionsspeichern handelt es sich um Wärmespeicher mit potenziell sehr hoher Energiedichte. Es wurden im Vorfeld des Vorhabens bereits drei aussichtsreiche Speicherkonzepte für verschiedene Anwendungen in Gebäuden identifiziert, aus denen sich die anwendungsbezogenen Anforderungen an die Sorptionsmaterialien und Speicherkomponenten ableiten lassen. Bei den drei Konzepten handelt es sich (A) um einen kaskadierend betriebenen, geschlossenen Adsorptionsspeicher, bei dessen Entladung die nutzbare Wärmemenge durch eine Adsorptionswärmepumpe erhöht wird. Konzept (B) geht aus von einem offenen Adsorptionsspeicher, der in ein Lüftungssystem eines Niedrigenergie-Gebäudes integriert werden kann und Solarwärme über lange Zeiträume speichern kann. In Konzept (C) wird ein Absorptionsspeicher betrachtet, dessen Energiedichte durch Ausnutzung einer Kristallisation aus einer aufkonzentrierten Salzlösung erhöht wird. Für jedes der drei Speicherkonzepte werden die aus wissenschaftlicher Sicht wichtigsten Fragestellungen für eine erfolgreiche Realisierung des Konzepts mit den besten verfügbaren Materialien und Kompositen bzw. Komponenten vorangetrieben. Dazu werden Materialeigenschaften, die Kopplung der Wärme- und Stoffübertragung und Eigenschaften des Gesamtsystems untersucht. Ziel des Vorhabens ist, das grundlegende Verständnis von Sorptionsspeichern zu erweitern, sowohl auf Materialien- als auch auf Komponentenseite für die technische Umsetzung. Anhand der drei Speicherkonzepte sollen die Voraussetzungen geschaffen werden, die Speicherdichte gegenüber dem gegenwärtigen Stand der Technik deutlich zu erhöhen.

Temperaturhub um 30 Kelvin

Sorptionsspeicher verhalten sich in der Anwendung grundsätzlich anders als Speicher für fühlbare (sensible) Wärme wie z. B. Heißwasserspeicher, aber auch anders als Latentwärmespeicher, bei denen das Speichermaterial einen Phasenwechsel (meist fest/flüssig) durchläuft. Sorptionsspeicher verhalten sich sehr ähnlich wie Sorptionswärmepumpen, d. h. wenn Wärme auf hohem Temperaturniveau eingespeichert wird (Desorption des Speichers), wird zugleich Wärme auf niedrigerem Temperaturniveau aus der Kondensation des Arbeitsmittels frei. Bei der Entnahme von Wärme aus dem Speicher (bei hoher Temperatur, aus dem Adsorptionsprozess) muss zugleich Wärme auf niedrigem Temperaturniveau zugeführt werden für die Verdampfung des Arbeitsmittels. Die Temperaturdifferenz zwischen der dem Verdampfer zugeführten Niedertemperaturwärme und der dem Speicher entnommenen Nutzwärme wird als Temperaturhub bezeichnet. Der erreichbare Temperaturhub ist eine für die praktische Anwendung von Sorptionsspeichern sehr wichtige Größe. In früheren Forschungsprojekten realisierte Adsorptionsspeicher auf Basis von Silikagel als Sorptionsmaterial haben bspw. keinen genügend großen Temperaturhub erreicht, um sinnvoll in verschiedenen Gebäudetypen mit unterschiedlichen Heizungssystemen einsetzbar zu sein. In diesem Vorhaben wurde ein Temperaturhub von mindestens 30 K als Ziel gesetzt (entsprechend z. B. 35 °C Nutzwärmetemperatur und Wärmezufuhr bei 5 °C aus der Niedertemperatur-Wärmequelle). Der erreichbare Temperaturhub hängt sowohl vom Sorptionsmaterial als auch vom Ladezustand des Speichers ab. Daher hängt die effektiv nutzbare Wärmemenge aus dem Speicher (und damit seine effektive Energiedichte) sowohl von Materialeigenschaften als auch von Randbedingungen der Anwendung und der Systemintegration des Speichers ab. Daher macht es auch bei einer grundlegenden Herangehensweise an Speichermaterialien Sinn, bereits konkrete Systemkonzepte im Blick zu haben und die Forschungsarbeiten in eine Matrix aus wissenschaftlichen Fragestellungen bzw. Herausforderungen einerseits und konkreten Speicherkonzepten andererseits zu strukturieren. Genau nach dieser Matrixstruktur wird in diesem Vorhaben gearbeitet. Übergreifendes Ziel ist dabei neben dem Temperaturhub von mindestens 30 K, eine effektiv nutzbare volumetrische Energiedichte von mindestens 180 kWh/m³ zu erreichen (gegenüber etwa 130 kWh/m³ bei den besten bisher realisierten Sorptionsspeichern für Gebäude).

Wärme- und Stofftransportprozesse grundlegend untersuchen

Ansatzpunkte für die Optimierung von Sorptionsspeichern liegen einerseits in der Verwendung von Materialien mit verbesserten Sorptionsgleichgewichten, d. h. größerem Wärmeumsatz im definierten Prozessfenster von Druck und Temperatur), andererseits in der Verbesserung der Sorptionskinetik, also der Prozessdynamik. In beiden Bereichen bestehen gegenüber dem Stand der Technik noch große Verbesserungspotenziale.

Welche Sorptionsmaterialien für einen bestimmten Typ von Sorptionswärmespeicher am besten geeignet sind, hängt stark von den genauen Bedingungen der Anwendung, vor allem von den verfügbaren bzw. geforderten Temperaturen bei der Speicherbe- und Entladung. Die Anforderung bezüglich der angestrebten Erhöhung des Temperaturhubs wurde vor allem mit Blick auf das Einsatzpotenzial von Sorptionsspeichern im Gebäudebestand gewählt. Dort sollen häufig nach einer Sanierung bestehende Heizkörper weiterverwendet werden, dann wird ein größerer Temperaturhub benötigt als bei Neubauvorhaben.

In diesem Vorhaben soll die Nutzbarkeit von Sorptionsmaterialien für Wärmespeicheranwendungen dadurch optimiert werden, dass die relevanten Wärme- und Stofftransportprozesse grundlegend untersucht werden und gezielt an den limitierenden Transportprozessen angesetzt wird, um die Leistungscharakteristik der Speicher zu verbessern. Eine Schlüsselrolle nehmen dabei (für adsorptive Speicher) Komposit-Strukturen aus Sorptionsmaterial und  Trägermaterial ein,  mit denen die Zugänglichkeit und/oder thermische Ankopplung der Sorptionsmaterialien an die Wärmequellen und -senken deutlich verbessert werden kann.

Um ein grundlegendes Verständnis der relevanten Wärme- und Stofftransportprozesse zu gewinnen, werden die Prozesse detailliert modelliert und die Simulationsmodelle an Ergebnissen von Labormessungen validiert und kalibriert.

Wirtschaftlichkeit von Sorptionsspeichern

Um die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Sorptionsspeichern zu verbessern, ist ein wichtiger Ansatzpunkt, die Anzahl der Speicherzyklen (über die sich der Speicher amortisieren kann) innerhalb der Lebensdauer des Systems deutlich zu erhöhen. Dieser Ansatz ist kongruent mit dem in diesem Vorhaben verfolgten Ziel, durch eine Verbesserung der Wärme- und Stofftransporteigenschaften der Materialien und Komposite eine Prozessintensivierung zu ermöglichen, also eine höhere Leistung bei der Einspeicherung oder Entnahme von Wärme aus dem Sorptionsspeicher zu erreichen.

Projektstatus

Das Projekt befindet sich derzeit in der Startphase. Die nächsten Meilensteine sind:

Monat 15: Für einen kaskadierenden Adsorptionsspeicher wurde ein geeignetes Material für den Aufbau eines Laborspeichers gefunden und charakterisiert (Meilenstein A.1).
Für einen Absorptionsspeicher wurde mindestens ein Stoffpaar gefunden und charakterisiert, das im anwendbaren Temperaturbereich eine höhere Energiespeicherdichte oder eine bessere Prozessdynamik erwarten lässt als bekannte Latentspeichermaterialien (Meilenstein C.1)

Monat 18: Für einen offenen Sorptionsspeicher ist ein Verfahren zur Herstellung von extrudierten Kompositspeichermaterialien entwickelt und erprobt. Die für nachfolgende Experimente benötigten Wabenkörper sind auf den Extrusionsmaschinen hergestellt worden (Meilenstein B.1).

Monat 24: Für einen kaskadierenden, geschlossenen Adsorptionsspeicher wurde anhand von mindestens drei Probenreihen die Reproduzierbarkeit des Beschichtungsprozesses untersucht. Mindestens ein Modell der Adsorptionsdynamik wurde validiert anhand von Drucksprungexperimenten bei verschiedenen Drücken und Probentemperaturen. (Meilenstein A.2).

Monat 27: Für einen offenen Sorptionsspeicher sind die thermischen Eigenschaften der Komposit-Speichermaterialien experimentell analysiert sowie die Zyklenstabilität überprüft worden. Auf Basis der erarbeiteten Modelle ist die Bestimmung der thermischen Leistungsfähigkeit erreicht (Meilenstein B.2).

Monat 27: Für einen kaskadierenden Adsorptionsspeicher liegt ein Systemmodell vor, mit dem thermodynamisch konsistente Simulationen des Speicherzyklus möglich sind. Dieses Modell wurde mit Messdaten zur Adsorptionsdynamik kleiner Beschichtungsproben kalibriert und liefert Ergebnisse zur erreichbaren effektiven Energiedichte und weiteren Anlagen-Kennzahlen (Meilenstein A.3). Für einen offenen Sorptionsspeicher liegen ein entsprechendes Modell und Ergebnisse zu Anlagen-Kennzahlen in Monat 30 vor (Meilenstein B.3).

Monat 30: Für das im Vorhaben verfolgte Absorptions-Speicherkonzept kann der experimentell ermittelte Wärmeumsatz als Funktion der Zeit und der Betriebsparameter im Simulationsmodell mit einer Genauigkeit von 10 Prozent nachvollzogen werden (Meilenstein C.2).

Teilvorhaben

Teilvorhaben KIT: Am Fachgebiet Strömungsmaschinen & Technische Energiesysteme des KIT wird das Konzept eines kaskadierenden Adsorptionswärmespeichers weiterentwickelt und thermodynamisch analysiert in Abhängigkeit von Eigenschaften der verwendeten Sorptionsmaterialien und Wärmeübertrager. Am Institut für Thermische Verfahrenstechnik des KIT wird im Bereich "Thin Film Technology" die Beschichtung von Sorptionsmaterialien auf Wärmeübertragerflächen systematisch untersucht. Von besonderem Interesse sind dabei der Einfluss der Trocknungsparameter der Schicht auf die sich ergebende Schichtmorphologie und der Einfluss dieser Morphologie auf die Adsorptionskinetik im Speicherzyklus.

Teilvorhaben Fraunhofer ISE: Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme werden in der Arbeitsgruppe "Sorptionstechnologie - Materialentwicklung und Charakterisierung" einerseits Querschnittsuntersuchungen für das Gesamtprojekt auf Materialebene durchgeführt, andererseits spezifische Lösungsansätze zur Ankopplung von Adsorbentien an Wärmeübertrager für das Konzept des kaskadierenden Adsorptionsspeichers untersucht.
Teilvorhaben ITW Univ. Stuttgart: Aufbauend auf früheren Forschungsvorhaben der Arbeitsgruppe am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik soll das Konzept eines offenen Adsorptionsspeichers auf Basis extrudierter Formkörper weiterentwickelt und auf neue Materialien übertragen werden. Durchströmbarkeit und volumetrischer Feststoffanteil dieser Formkörper sollen optimiert werden. Zur Erhöhung der Speicherdichte soll auch eine Einbringung von Salzen oder Salzmischungen in die Sorptionsmaterialien untersucht werden.

Teilvorhaben ITW Univ. Stuttgart: Aufbauend auf früheren Forschungsvorhaben der Arbeitsgruppe am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik soll das Konzept eines offenen Adsorptionsspeichers auf Basis extrudierter Formkörper weiterentwickelt und auf neue Materialien übertragen werden. Durchströmbarkeit und volumetrischer Feststoffanteil dieser Formkörper sollen optimiert werden. Zur Erhöhung der Speicherdichte soll auch eine Einbringung von Salzen oder Salzmischungen in die Sorptionsmaterialien untersucht werden.

Teilvorhaben ZAE Bayern: Am Zentrum für Angewandte Energieforschung Bayern wird das Konzept eines Absorptionswärmespeichers untersucht und weiterentwickelt, der die Lösungswärme eines Sorbens-Sorptiv-Paares und/oder die Kristallisationswärme eines im Wesentlichen flüssigen Stoffpaares nutzt. Dabei kommt ein Speicherbehälter zum Einsatz, in dem die verschiedenen konzentrierten Lösungen bei verschiedenen Temperaturen dichtegeschichtet vorliegen. Neben einem grundlegenden Verständnis der Materialeigenschaften zielt dieses Teilprojekt auf die Entwicklung einer vorteilhaften Prozessführung für die Realisierung dieses neuartigen Speichertyps.

Teilvorhaben TH Wildau: An der Technischen Hochschule Wildau werden Querschnittsarbeiten zur Charakterisierung und Modifikation von Sorptionsmaterialien durchgeführt. Es werden thermodynamische Modelle gesucht, die es erlauben, die ermittelten Materialeigenschaften wie Sorptionsgleichgewichte und -enthalpien zu konsistenten Datensätzen der Materialien zu verknüpfen. Für das Konzept des kaskadierenden Adsorptionsspeichers wird untersucht, wie sich die Adsorptionseigenschaften bestimmter Zeolithe nach der Synthese gezielt verändern lassen (z. B. durch Ionenaustausch), um die anwendungsbezogenen Eigenschaften zu verbessern.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

24. Oktober 2017
Wirtschaftliche Energiespeicher

7. November 2017
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

9. November 2017
Netzgekoppelte PV/Batteriespeicher-Anlagen

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

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