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Sorptionswärmespeicher

Die Sorptionswärmespeicherung ist eine Unterklasse der thermochemischen Speicherung. Sie verhindert Verluste während der Speicherdauer und sind somit eine gute Wahl insbesondere für grosse Zeiträume.

Thermochemische Speicher basierend auf dem Sorptionsprinzip haben das Potenzial zu einer hohen Energiedichte von bis zu 400 kWh/m³. Sie leiden nicht unter stetigem Wärmeverlust und haben eine deutlich höhere Formfreiheit als herkömmliche Wasserspeicher. Mögliche Einsatzbereiche beinhalten Ein- bis Mehrfamilienhäuser, aber auch ganze Areale, Wärmenetze und Energy Hubs.

Es ist zu unterscheiden zwischen Absorptions- und Adsorptionswärmespeichern. Wir beschreiben die Funktion zunächst anhand der Absorption mit Natronlauge:

Das Verfahren funktioniert ähnlich wie eine Absorptionswärmepumpe, ergänzt aber durch das Speichern des flüssigen Sorptionsmediums im getrennten (geladenen) und kombinierten (entladenen) Zustand. Das verwendete Absorptionsmedium kann beispielsweise flüssige Natronlauge sein, das Absorbat ist meist Wasser. Diese Art Speicher benötigt keine thermische Isolation, da keine sensible Wärme gespeichert wird. Verluste entstehen lediglich beim Lade- und Entladevorgang. Somit zeigt dieses Verfahren ein hohes Potenzial für saisonale Wärmespeicherung. Der Lade- und Entladeprozess findet unter Wasserdampfatmosphäre bei einem Druck unterhalb des Umgebungsdrucks statt.

Ein grosser Vorteil bei Absorptionsverfahren mit flüssigen Medien ist die Möglichkeit, diese zu pumpen. So sind Speicher und Lade- und Entladeeinheit unabhängig und können örtlich getrennt werden. Daraus folgt, dass auch Leistung und Speicherkapazität voneinander unabhängig sind; eine Kapazitätssteigerung benötigt lediglich weitere Speichervolumina.

Nicht vernachlässigt werden dürfen die Abhängigkeiten der vom Absorptionsspeicher abgegebenen Temperatur und der Speicherwärmekapazität vom Systemumfeld. Beeinflussende Parameter sind die Natronlaugenkonzentration im geladenen Zustand, die Verdampfungstemperatur und die Temperatur des aufzuheizenden Heizwassers (z. B. Heizungsrücklauf).

Die erreichbare Entladetemperatur wird durch die Konzentration der Natronlauge und die Verdampfungstemperatur bestimmt. So ist z. B. bei einer Verdampfungstemperatur von 10 °C und einer Laugenkonzentration von 50 % Natronhydroxid mit einer maximalen Entladetemperatur von 48 °C zu rechnen.

Speicherkapazität

Die Speicherkapazität ist direkt abhängig von der Differenz der Natronlaugenkonzentration im geladenen bzw. entladenen Zustand. Die Energiedichte steigt, je stärker die Lauge beim Entladeprozess verdünnt werden kann. Der Verdünnungsgrad wiederum ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur (TE_out) und der Entladetemperatur (z. B. vom Heizungsrücklauf). Liegt diese Temperaturdifferenz bei etwa 8 K, so kann die Lauge bis auf 25 % Natronhydroxid-Konzentration verdünnt werden.

Bei ansteigender Temperaturdifferenz sinkt der Verdünnungsgrad und somit auch die Speicherkapazität. Bei der Verdünnung auf 25 % wird eine Energiedichte, bezogen auf das Volumen der verdünnten Lauge, von etwa 440 kWh/m³ erreicht. Das ist etwa der fünffache Energiegehalt von Wasser bei 95 °C. Es muss aber berücksichtigt werden, dass diese Angaben sich rein auf das Speichermedium beziehen und kein Volumen, das für Systemkomponenten benötigt wird, beinhalten. Die Energiedichte bezogen auf den real benötigten Raum ist dadurch um etwa 1/8 geringer.

Absorpionswärmespeicher

Absorptionswärmespeicher haben eine hohe Energiedichte und erleiden keinen Wärmeverlust während der Speicherdauer. Anstelle spürbarer Wärme, wie z.B. in einem Warmwassertank, speichert der Absorptionswärmespeicher ein Wärmepumpenpotential zur Bereitstellung von Wärme bei erhöhter Temperatur aus der Umgebung. Der Speicher wird mittels thermischer oder elektrischer Energie, z.B. aus Solarthermie oder PV Strom, im Sommer geladen, und im Winter stellt er fast ohne zusätzlichen Strom Heizungswärme bereit; dies aus einer Niedertemperatur-Wärmequelle, z.B. einem Erdwärmeübertrager oder einem Luftwärmeübertrager. Dabei dient der Speicher durch die erhebliche Stromnetzentlastung im Winter als virtuelle elektrische Batterie.
Die Anlage basierendz.B. auf wässriger Natronlauge besteht aus einem Wandler (die Absorptionswärmepumpe) und einem Arbeitsmedienspeicher (konventionelle Kunststoffbehälter) und ist in der Anordnung wie auch in Leistung und Speicherkapazität flexibel. Das Arbeitsmedium (Natronlauge und Wasser) wird verlustfrei bei Raumtemperatur gelagert, wobei die Konzentration der Lauge den Ladezustand bestimmt: im entladenen Zustand ist sie verdünnt und im geladenen Zustand konzentriert. Der Absorptionswärmespeicher erzielt im Gebäude eine Energiedichte von etwa 280 kWh/m³, abhängig von den Betriebstemperaturen. Somit wird eine bis zu sechsfach höhere Wärmekapazität erreicht im Vergleich zum Warmwassertank.

Adsorptionswärmespeicher

Die thermochemische Wärmespeicherung ermöglicht im Vergleich zur sensiblen, latenten Wärmespeicherung eine nahezu verlustfreie Speicherung von Wärmeenergie mit hoher Energiedichte. Hierbei wird Wärme in Form eines chemischen Potenzials gespeichert und ist jederzeit abrufbar. Anders als bei sensibler Wärme wie z. B. in Heißwassertanks ist eine umfangreiche Isolation gegen zeitliche Wärmeverluste an die Umgebung nicht notwendig. Typische Materialien für die thermochemische Wärmespeicherung sind Silicagel und Zeolithe in Form von Pellet-Schüttungen, die aufgrund des relativ geringen Preises und der hohen Speicherdichte bereits gut genutz sind. Ein Nachteil der hochporösen Adsorbentien ist deren schlechte Wärmeleitfähigkeit, vor allem in Schüttungen, die zu Leistungseinbußen bei der Ladung und Entladung führt und einen hohen Aufwand für Wärmetauscherstrukturen verursacht. Das Fraunhofer IKTS verfügt über umfangreiche Kompetenzen in der Modifizierung und Verarbeitung hochporöser Keramiken, die in verschiedenen Projekten für die Weiterentwicklung von Wärmespeichermaterialien und -komponenten eingesetzt werden. Im Rahmen eines Fraunhofer-Projekts konnte durch die Entwicklung von Metallmantelpellets eine fünffache Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit von Adsorbentienschüttungen erreicht und somit die Be- und Entladungszyklen der Speicher verkürzt werden. Ein weiterer Entwicklungsansatz im Rahmen des BMWi-Projekts MoGeSoWa war die Entwicklung von Speicherbausteinen, die im Vergleich zu Schüttungen eine höhere Fülldichte des Wärmespeichersystems mit Sorbentien und eine bessere Anbindung an die Wärmetauscher ermöglichen. Um das Innere besser zugänglich für das Adsorptiv zu machen, sind die Bausteine von einer netzartigen Porenkanalstruktur durchzogen.