Der weltweit steigende Energiebedarf und der Klimawandel machen den Ausstieg aus der fossilen Energie unumgänglich – und die aktuellen geopolitischen Entwicklungen fordern rasche Lösungen. Ein Baustein, der noch fehlt, sind Methoden für die langfristige Speicherung von überschüssiger erneuerbarer Energie. Bestehende Methoden, überschüssige Energie zu speichern, haben gravierende Nachteile: Bei Batterien ist die Speicherkapazität zu gering – und wenn man Solarenergie in Wasserstoff umwandelt, dann kann sie in der Regel nicht lang gespeichert werden. Jetzt wurde am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften an der TU Wien ein neuartiger chemischer Wärmespeicher erfunden, der das ändern könnte.
Kernstück das chemischen Wärmeenergiespeichersystems ist ein skalierbarer Suspensionsreaktor, in dem überschüssige Wärme genutzt wird, um ein festes Wärmespeichermaterial zu aktivieren. Vergleichbar mit dem Speichern von Elektrizität in einer Batterie, kann die gespeicherte Wärme im Suspensionsreaktor bei Bedarf freigesetzt werden.
Nutzung von Abwärme
Ein chemischer Wärmespeicher dieser Art erfordert Temperaturen, die zwischen 70 und 200 Grad Celsius liegen. Dadurch eignet sich die Methode vor allem für die energie-intensive Industrie – und insbesondere für Industrieanlagen, in denen Abwärme entsteht. Der Temperaturbereich ist in fast allen Industrien gebräuchlich – von der Zement- über die Papier- und Zellstoffindustrie bis hin zu Heizwerken, Abfallverbrennung und Kraftwerken, erklärt Professor Franz Winter vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften an der TU Wien. Und weiter: „Wenn in Industrieanlagen höhere Temperaturen entstehen, werden diese meist genutzt. Aber Abwärme aus einem Temperaturbereich von 70 bis 200 Grad Celsius geht meist ungenutzt verloren.“
Wenn in Industrieanlagen höhere Temperaturen entstehen, werden diese meist genutzt. Aber Abwärme aus einem Temperaturbereich von 70 bis 200 Grad Celsius geht meist ungenutzt verloren.
Professor Franz Winter, TU Wien
Verwendet man Wärme, um chemische Reaktionen auszulösen, dann entstehen energiereiche chemische Verbindungen, die sich umkehren lassen, um die Energie wieder freizusetzen. Eine Funktion, mit der es ein chemischer Wärmespeicher dieser Art ermöglicht, große Energiemengen praktisch unbegrenzt lange zu speichern. Dadurch kann im Sommer gespeicherte Energie im Winter genutzt werden, um das Gebäude zu heizen.
Die chemische Reaktion
Es gibt unterschiedliche chemische Reaktionen, die man für diesen Zweck nutzen kann. An der TU Wien verwendet man etwa Borsäure, ein festes Material, das mit Öl vermischt wird. Das heterogene ölige Stoffgemisch kommt in einen Reaktor, dessen Wand auf eine Temperatur zwischen 70 – und 200 Grad Celsius aufgeheizt wird. Durch die Hitze kommt es zu einer chemischen Reaktion und die Borsäure wird in Boroxid umgewandelt. Dabei wird Wasser freigesetzt. Übrig bleibt eine ölige Boroxid-Suspension, die man in Tanks lagern kann. Um die chemische Reaktion umzukehren und die gespeicherte Wärme freizusetzen, führt man der Suspension das Wasser wieder zu.
Damit ist der thermochemische Kreislauf geschlossen und kann durch Wärmezufuhr wieder in Gang gesetzt werden. „Die Suspension kann öfters verwendet werden“, erklärt Professor Winter. „Im Labor haben wir gezeigt, dass auf diese Weise problemlos viele Auf- und Entladungsvorgänge möglich sind.“
Neben Borsäure können auch andere Chemikalien eingesetzt werden – auch Salzhydrate wurden untersucht. Borsäure und Salzhydrate vereinen gleich mehrere Vorteile: Sie sind kostengünstig, einfach verfügbar, relativ ungefährlich und können beliebig lange aufbewahrt werden. Zudem sind sie über viele Zyklen hinweg stabil und das verwendete Öl erlaubt optimalen Wärmetransfer.
Chemischer Wärmespeicher als Teil des gesamten Prozesses
Der große Vorteil der Erfindung liegt in der langfristigen Speichermöglichkeit von Wärmemengen, die sonst einfach verlorengehen würden – sowie deren bedarfsorientierter Nutzung. Professor Winter ist überzeugt davon, dass dieser chemische Wärmespeicher einen wesentlichen Fortschritt darstellt und in den nächsten Jahren Anwendung finden wird. Die Reaktortechnologie kann problemlos von kleinen Haushaltsanwendungen – wie Heizung und Brauchwasser – bis auf industrielle Maßstäbe hochskaliert werden. Wobei man noch nicht weiß, wie klein es sein darf, um noch Sinn zu machen. Auch sei der genaue Wirkungsgrad des Prozesses derzeit noch nicht abzuschätzen und werde davon abhängen, wie der chemische Wärmespeicher mit anderen Technologien gekoppelt wird.
Chemischer Wärmespeicher als Prozessoptimierer
Bei industriellen Anlagen gehe es immer um eine Optimierung des gesamten Prozesses. So werde die Größe des Suspensionsreaktors vom Anwendungsgebiet abhängen – und der Prozess müsse an die spezifischen Wärmemengen und Temperaturen angepasst werden – sowie die Art der bereits vorhandenen energietechnischen Einrichtungen. Außerdem bedürfe es zum einen eines kurzfristigen Speichers, um laufend Warmwasser bereitzustellen und zum anderen eines langfristigen Speichers, um die Wärme vom Sommer in den Winter zu bringen. Deshalb müsse es ein Gesamtlösungskonzept geben, das möglichst gut in die Anlage integriert sei, um alle Ansprüche abzudecken, so Professor Winter. Weshalb er gemeinsam mit Industriepartnern intensiv weiter an der Technologie forschen werde, um zu untersuchen, wie sich das System am besten und effizientesten anwenden lässt.
Sparsam und umweltfreundlich
Ein weiterer Vorteil dieser Art chemischer Wärmespeicher liegt in der Umweltfreundlichkeit. Die Energiespeicherung erfolgt emissionsfrei. Darüber hinaus ist diese mit niedrigen Materialkosten verbunden. Denn die Suspension – das heterogene Gemisch aus Borsäure, Öl und Wasser – kann über viele Auf- und Entladevorgänge hinweg verwendet werden – und hält bis zu vielen Jahren oder länger.
Die erforderlichen Temperaturen von 70 bis 200 Grad Celsius sind auch über Sonnenkollektoren und Geothermie zu erreichen. Auch in diesem Bereich will das Team in Kooperation mit Experten weiterforschen.
Das Forschungsteam will heuer die Basis für die weitere Entwicklung legen und ist zuversichtlich in zwei bis drei Jahren vom Labor in die kontinuierliche Anlage gehen zu können.
