CT-Trendbericht Energiespeicher-Lösungen – Teil 2: Wärmespeicher

Bei einem Feststoffspeicher für solarthermische Kraftwerke können verschiedenste Formen und Materialien zum Einsatz kommen. Vom Naturstein über Beton bis hin zu Kochsalz untersucht das DLR unterschiedlichste Konzepte. Bild: DLR

Das Speichern von Wärme wird in Zukunft neben Stromspeichern ebenfalls eine Schlüsseltechnologie werden. Etwa die Hälfte der in Europa verbrauchten Energie wird in Form von Wärme eingesetzt. Neben der Beheizung von Gebäuden steht hier die Wärmenutzung in industriellen Prozessen im Vordergrund. Soll zum Beispiel die Effizienz der im ersten Teil unseres Trendberichts beschriebenen Druckluftspeicher erhöht werden, muss die bei der Verdichtung entstehende Wärme gespeichert werden, um sie später bei der Stromerzeugung wieder nutzen zu können. Aber auch in thermischen Solarkraftwerken, bei denen tagsüber Sonnenwärme über Hohlspiegel konzentriert und zur Dampferzeugung für Turbinen genutzt wird, spielen Wärmespeicher eine zentrale Rolle. Mit ihnen ist es möglich, in Sonnenstunden gewonnene Wärmeenergie zu speichern und auch in Zeiten ohne Sonneneinstrahlung – zum Beispiel nachts –  zur Stromerzeugung zu nutzen. Auch hier ist die Wirtschaftlichkeit von zentraler Bedeutung – erst mit Speicherkosten unter 10 bis 20 Euro/kWh ist die Rund-um-die-Uhr-Produktion wirtschaftlich und wird damit grundlastfähig. Grundsätzlich sind heute vier verschiedene Arten der Wärmespeicherung bekannt:

• sensible Wärmespeicher
• latente Wärmespeicher
• Sorptionsspeicher
• chemische Speicher

Wie bei der Speicherung von Elektrizität gibt es auch bei Wärmespeichern nicht den einen Königsweg, sondern müssen die einzusetzenden Speicher immer nach den Anforderungen der Anwendung ausgewählt und an diese angepasst werden. Da es bis heute meist wirtschaftlicher ist, Wärme aus Primärenergieträgern zu erzeugen, steht die Entwicklung der Wärmespeicher insbesondere für die industrielle Nutzung vielfach noch am Anfang. Am weitesten verbreitet und praxisreif sind sensible Wärmespeicher, wie sie beispielsweise in der Gebäudeheizung in Gebrauch sind. Bei diesen Wärmespeichern ändert sich die Temperatur des Wärmeträgers (z.B. Wasser) beim Be- und Entladen fühlbar (sensibel).

Zu den jüngsten Entwicklungen zählt ein vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickeltes Verfahren, bei dem die Energie der Sonnenstrahlen in kostengünstigen Feststoffen gespeichert wird. Dazu wird derzeit in Stuttgart  eine 500-kWh-Demonstrationsanlage gebaut, in der Tests bis 400 °C durchgeführt werden sollen und deren Ergebnisse bis 2013 erwartet werden. Die Besonderheit: Der Cellflux genannte Speicher kann mit unterschiedlichen Wärmeträgermedien wie beispielsweise Thermoöl, Dampf oder Flüssigsalz genutzt werden und ist damit flexibel für alle solarthermischen Kraftwerkstypen einzusetzen. Der Speicher wird aus einzelnen Modulen, den sogenannten Zellen aufgebaut und speichert die Wärme im Feststoff. Innerhalb der Module wird die Wärmeenergie durch einen Wärmeübertrager an einen Luftstrom abgegeben. Dieser durchströmt das feste Speichermaterial und gibt dabei die transportierte Energie an den Feststoff weiter. Bei der Entladung des Speichers wird dieser Prozess umgekehrt. Im Gegensatz zu Salzspeichern, bei denen das Salz stets über einer Temperatur von 230 °C gehalten werden muss, da es sonst kristallisiert, kann der Feststoffspeicher auch bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden. Dazu kommen deutlich niedrigere Investitionskosten.

Latentwärmespeicher: hohe Energiedichte, niedrige Temperaturdifferenzen

Im Gegensatz zu  sensiblen Wärmespeichern bleibt die Temperatur latenter Wärmespeicher beim Be- und Entladen weitgehend konstant. Das Prinzip ist jedem bekannt, der Getränke mit Eiswürfeln kühlt: Genügend Eis vorausgesetzt, bleibt die Temperatur im Glas so lange konstant bei 0 °C, bis alles Eis geschmolzen ist. Der Clou dabei: latente Wärmespeicher haben eine sehr viel höhere Energiedichte. Würde man dieselbe Energiemenge, die das Eis zum Schmelzen bringt, für die Erwärmung einer entsprechenden Menge Wassers benutzen, könnte man dieses von 0 auf 80 °C aufheizen. Deshalb, aber auch aufgrund der Tatsache, dass der Speicher bei wesentlich geringeren Temperaturdifferenzen betrieben werden kann, wird Latentspeichern insbesondere in der Industrie ein besonders großes Potenzial beigemessen.

Prominentes Beispiel für Latentspeicher ist die Gebäudeklimatisierung. Hierfür wurden in den vergangenen Jahren Baustoffe entwickelt, mit denen Gebäude tagsüber gekühlt und nachts beheizt werden: Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) und der BASF hat ein Verfahren entwickelt, mit dem Paraffinwachs-Tröpfchen als Latentspeicher (Phase Change Material, PCM)  in Hohlkugeln aus Acrylglas eingeschlossen wird und so in Baustoffe wie Mörtel oder Gips eingebracht werden kann.

Neben Paraffinen können auch Salzhydrate und Salzmischungen – beispielsweise Kalium- und Natriumnitrat – als Latentspeichermedien genutzt werden. Die größte Hürde der an sich vielversprechenden Technologie ist allerdings der Wärmetransport: Der Wärmeübertragungskoeffizient wird von der Wärmeleitfähigkeit des festen Speichermaterials bestimmt. Und diese ist für organische oder anorganische Feststoffe in der Regel vergleichsweise niedrig. Die Forschungsbemühungen zielen deshalb darauf ab, die Wärmeleitung sowie die Wärmeaustauschfläche zu steigern. Neben der bereits erwähnten Mikroverkapselung für Baustoffe beschäftigen sich Entwickler im Hinblick auf industriell nutzbare Wärmespeicher mit Methoden zur Makroverkapselung von Salzhydrat in Graphit oder der Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen, indem Stahl- und Graphitrippen in den Latentspeicher integriert werden. Ein weiterer interessanter Ansatz ist der Einsatz von PCM in Wärmeträgerflüssigkeiten. Dadurch kann die Kapazität in einem definierten und begrenzten Temperaturbereich stark vergrößert werden.

Sorptionsspeicher beruhen auf dem Effekt, dass bei der Anlagerung von gasförmigen Molekülen an bestimmte Oberflächen wie zum Beispiel Zeolithe die Verdampfungswärme frei wird bzw. beim Verdampfen des Arbeitsstoffes der Umgebung Wärme entzogen wird. Ein Beispiel ist das selbstkühlende Bierfass oder aber klassisch die Kühlung von Getränken in Tongefäßen. Bislang ist die Technik für industrielle Anwendungen aufgrund ihrer apparativen Komplexität vergleichsweise teuer. Die Forschung konzentriert sich derzeit vor allem auf die Entwicklung von hocheffizienten Sorptionsmaterialien.

Chemische Speicher haben die höchste Energiedichte

Die höchste Energiedichte bei der Wärmespeicherung wird mit chemischen Speichern erreicht. Bei diesen wird durch zugeführte Wärme eine chemische Verbindung in ihre Bestandteile getrennt, und diese werden dann separat gespeichert. Beim Entladen des Speichers werden die Komponenten zur Reaktion gebracht, wobei Wärme frei wird (exotherme Rückreaktion). Großes Potenzial wird für Gas-Feststoff-Reaktionen erwartet, da diese hohe Speicherdichten ermöglichen und eine Langzeitspeicherung von Wärme erlauben. Zu den möglichen Reaktionsarten gehört beispielsweise das Dehydratisieren von Salzhydraten oder Metallhydroxiden (z.B. Magnesium- oder Kupfersulfat-Hydrat bzw. Mg-, Ca- oder Ba(OH)₂), die Decarboxylierung von Zink-, Magnesium- oder Kalziumkarbonaten zu Metalloxiden sowie die Desoxigenierung von Metalloxiden (BaO₂ oder KO₂) – allesamt endotherme und reversible Vorgänge, die je nach Reaktion in einem zwischen 100 und  1.000 °C breiten Temperaturspektrum ablaufen. Aktuell werden thermochemische Wärmespeicher vom DLR im  BMWi-Projekt „CWS“ untersucht.

Fazit: Die Nutzung neuer Energiequellen stellt eine große Herausforderung für die Stromwirtschaft dar. Speichertechniken werden darin eine wichtige Rolle spielen. Für Industrieunternehmen, in denen vor allem Wärme aus Prozessen mit Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden kann, sind Wärmespeicher ein wichtiges Element, um weitere Effizienzsteigerungen im Energieeinsatz zu erreichen. Die Chemie hält für deren Entwicklung den Schlüssel in der Hand.

_{Im ersten Teil des Trendberichts, der in der Februar-Ausgabe der CT erschienen ist, werden Speicherlösungen für elektrischen Strom beschrieben.}