Thermochemische Energiespeicherung

Energiespeicher mit Anwendungspotential

  • Abb. 1: Prinzip eines thermochemischen Reaktionszyklus am Beispiel von Calciumoxalat.Abb. 1: Prinzip eines thermochemischen Reaktionszyklus am Beispiel von Calciumoxalat.
  • Abb. 1: Prinzip eines thermochemischen Reaktionszyklus am Beispiel von Calciumoxalat.
  • Abb. 2: Thermische Analyse isothermer Zyklen von CaC2O4 ∙ H2O/CaC2O4 bei verschiedenen Temperaturniveaus.

Weltweit ist Wärme die am häufigsten vorkommende Energieform. Die hauptsächliche Nutzung aller fossilen Brennstoffe dient zur Wärmeerzeugung, aber sie entsteht auch als Nebenprodukt bei der Stromproduktion oder bei industriellen Prozessen.

Zur Erfüllung der internationalen Vereinbarungen zur Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes und zur Verringerung der gefährlichen langfristigen Folgen der globalen Erwärmung muss die Verwendung fossiler Brennstoffe drastisch verringert werden. Ein Schlüssel zur Effizienzsteigerung und damit Verringerung ist die Nutzung und Speicherung von Abwärme für die spätere Nutzung.

Sensible Wärmespeicher

Für diese Herausforderung gibt es verschiedene Ansätze zur Speicherung thermischer Energie. In klassischen, sensiblen Wärmespeichersystemen wird Wärmeenergie entweder in einem festen (Steine, Metalle usw.) oder in einem flüssigen Medium (Wasser, organische Flüssigkeiten, geschmolzene Salze usw.) gespeichert, indem die Temperatur des Speichermediums erhöht wird. Dafür ist es notwendig, dass ein passendes Speichermaterial eine hohe spezifische Wärmekapazität, Langzeitstabilität unter thermischen Zyklen und im besten Fall auch geringe Kosten aufweist. Ein gängiges Beispiel ist die Speicherung von heißem Wasser. Bei niedrigen Temperaturen ist es eines der besten Speichermedien, da es eine vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität hat, billig und weit verbreitet ist. Es kann in einem breiten Temperaturbereich von etwa 25 bis 90 °C verwendet werden. Aufgrund seines Dampfdrucks erfordert es jedoch einen geschlossenen Behälter und eine gute Wärmeisolierung. Für Anwendungen oberhalb des Siedepunkts muss der Behälter zusätzlich druckbeständig sein, was die Kosten drastisch erhöht. Wasser ist heute das am häufigsten verwendete, flüssige Speichermedium für solarbetriebene Warmwasser- und Heizungsanwendungen.

Für Hochtemperaturwärmespeicher kann die Lagerung von Feststoffen eine Option sein, bei der Materialien wie Steine, Metalle, Beton, Ziegel usw. verwendet werden können. In diesem Fall kann die Energie bei jedem Temperaturniveau unterhalb der Zersetzungstemperatur gespeichert werden, wenn das Material keine Phasenänderung erfährt.

Die Hauptnachteile aller sensiblen Wärmespeicher sind die Notwendigkeit zur thermischen Isolierung und die relativ kurze maximale Speicherdauer.

Latentwärmespeicher

Im Vergleich zu reinen sensiblen Wärmespeicherkonzepten ist der Latentwärmespeicher eine attraktivere Technik, da die Speicherdichte deutlich zunimmt.

Es besteht die Möglichkeit, Wärme als latente Schmelzwärme bei der konstanten Temperatur des Phasenübergangs von Phasenwechselmaterialien (phase change materials, PCMs) zu speichern. Zum Beispiel benötigt Wasser viel mehr Energie um 1 kg Eis zu schmelzen, als dessen Temperatur um 1°C zu erhöhen. Dies bedeutet, dass eine viel kleinere Masse und Volumen an Material benötigt wird, um die gleiche Menge an Energie zu speichern. PCMs können Fest-Fest-, Flüssig-Gas- und Flüssig-Fest-Phasenumwandlungen durchlaufen. Fest-Fest-Phasenänderungen sind aufgrund ihrer sehr geringen Phasenübergangsenthalpie für Wärmespeicheranwendungen meist nicht geeignet. Flüssig-Gas-PCMs haben üblicherweise hohe Umwandlungsenthalpien, aber die damit einhergehende, große Volumenänderung steht praktischen Anwendungen meist entgegen. Fest-Flüssig-PCMs sind nützlich, da sie eine relativ große Wärmemenge über einen engen Temperaturbereich ohne große Volumenänderungen speichern. Eine beispielhafte Konstruktion für einen Solarwärmespeicher könnte darin bestehen, dass das PCM in langen, dünnen Rohren angeordnet ist, die in einem Behälter als Wärmetauscher gestapelt sind. Während des Ladezyklus wird die gesammelte Solarwärme vom Kollektor durch den Wärmetauscher zirkuliert, der das PCM schmilzt. Somit speichert das PCM die Wärme sowohl als sensible Wärme als auch als latente Schmelzenthalpie. Während des Entladezyklus würde die Zirkulation von Niedertemperaturluft die Wärme vom PCM zu der Wärmebelastung transportieren. Daher verwenden die Latentwärmespeichereinheiten die latente Wärme aufgrund einer Phasenänderung während des Schmelzens oder Gefrierens des Speichermediums und zusätzlich die sensible Wärme in der festen und flüssigen Phase.

PCMs können in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Anorganische Verbindungen umfassen Salze und deren Hydrate, Metalle und Legierungen, während organische Verbindungen Paraffine, Nicht-Paraffine und Polyalkohole einschließen. Der Vorteil von Latentwärmespeichern ist ihre erhöhte Speicherdichte und, ähnlich wie bei den sensiblen Wärmespeichern, in der Regel eine gute Zyklenstabilität. Andererseits kann die Wärme nur bei der festgelegten Temperatur des Schmelzpunktes der gewählten Substanz gespeichert werden und die Notwendigkeit der Isolierung ist die gleiche wie bei den sensiblen Speichern, sonst würde der sensible Anteil des Wärmespeichers verloren gehen.

Thermochemische Energiespeicherung

Eine relativ neu entwickelte Technologie, die die Nachteile von Latent- und sensiblen Wärmespeichern überwinden kann, ist die thermochemische Energiespeichertechnologie (TCES). Es können zwei Gruppen thermochemischer Speichertechnologien unterschieden werden. Auf der einen Seite thermochemische Reaktionen und auf der anderen Seite Sorptionsprozesse, die beide thermische Energie für den Ladeprozess benötigen. Meistens ist das die Trennung von Speichermaterial und reaktiver Komponente. Sorptionsspeichersysteme umfassen sowohl Adsorption als auch Absorption. Bei Speicheranwendungen beinhaltet die Absorption üblicherweise das Eintreten eines Gases in eine Flüssigkeit, die Adsorption beinhaltet das Binden eines Gases oder einer Flüssigkeit an der Oberfläche eines festen oder porösen Materials, wie etwa Zeolithen.

In TCES wird Energie durch eine Reaktion gespeichert und zurückgewonnen, wenn die Reaktion umgekehrt wird. Viele thermochemische Speichersysteme haben viel höhere Energiedichten als die zuvor erwähnten Energiespeichertechnologien. Hohe Energiedichten erlauben es, große Mengen an Energie in kleinen Volumina zu speichern. Etwa für mobile Anwendungen oder für jene Implementierungen, bei der ein kleines Volumen oder ein geringes Gewicht notwendig ist, kann das entscheidend sein. Ein Hauptvorteil der Speicherung von Energie in thermochemischen Systemen besteht darin, dass die Wärme als chemisches Potenzial gespeichert wird und während der Lagerung nicht verloren geht. Dies ermöglicht eine Langzeitspeicherung, da thermochemische Energie theoretisch unbegrenzt lange bei Umgebungstemperatur gespeichert werden kann, ohne eine teure Isolierung zu benötigen. Aufgrund der hohen Energiedichten der Reaktionen von TCES-Materialien ist der Beitrag der sensiblen Wärme vernachlässigbar gegenüber der Wärmemenge, die in der Reaktionsenthalpie gespeichert ist. Zu den möglichen Materialien gehören Salze und Salzhydrate sowie Übergangsmetalloxide in verschiedenen Oxidationsstufen.

Anwendungspotential

Soll die gespeicherte Energie wieder freigesetzt werden, kann die Entladereaktion relativ einfach durch Kombination des Speichermaterials mit der reaktiven Komponente eingeleitet werden. Je nach reaktivem Gas kann dieser Zyklus entweder in einem offenen System durchgeführt werden, wie z. B. im Fall der Oxidation mit Luftsauerstoff bzw. Rehydratation mit Wasserdampf, oder in einem geschlossenen System, etwa bei der Reduktion mit Inertgas.

Der zweite große Vorteil thermochemischer Energiespeicher ist die Möglichkeit, die betriebsbedingten Lade- und Entladetemperaturen zu verändern, indem der Partialdruck der reaktiven Gaskomponente verändert und damit das chemische Gleichgewicht in die gewünschte Richtung verschoben wird. Dies ermöglicht auch die Entwicklung einer chemischen Wärmepumpe.

Im Fall der Dehydratations- und Rehydratisierungsreaktion von Calciumoxalat-Monohydrat (CaC2O4 ∙ H2O/CaC2O4) zeigt die thermische Analyse der isothermen Reaktion auf den veränderten Wasserdampfpartialdruck dieses Phänomen sehr deutlich. Die Ladungsreaktion ist bei höheren Temperaturen schneller, während die Reaktionsgeschwindigkeit der Entladung bei niedrigeren Temperaturen höher ist. Dennoch sind beide Reaktionswege auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zugänglich (Abb. 2).

Auch der wirtschaftliche Vorteil der Implementierung von TCES-Zyklen in das Energiemanagement wurde durch mehrere wirtschaftliche Machbarkeitsstudien gezeigt, die zeigen, dass z. B. mit der Abwärme der Lenzing AG die komplette Fernwärme für die österreichische Stadt Salzburg geliefert werden könnte.

Autoren
Christian Knoll

Kontakt  
Christian Knoll

Institute of Applied Synthetic Chemistry
Institute of Chemical, Environmental and Bioscience Engineering
Technische Universität Wien
Wien, Österreich

Originalveröffentlichung:

Christian Knoll, Danny Müller, Werner Artner, Jan M. Welch, Andreas Werner, Michael Harasek, Peter Weinberger; Probing cycle stability and reversibility in thermochemical energy storage – CaC2O4·H2O as perfect match?, Applied Energy 2017, 187, 1-9 DOI:10.1016/j.apenergy.2016.11.053

Weitere Beiträge zur Energiespeicherung unter

Kontaktieren

TU Wien
Getreidemarkt 9
1060 Ulm
Deutschland

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.