Sorptionsspeicher/ Thermochemischer Speicher

1. Grundlagen / Aufbau

Sorptionsspeicher besitzen 4- bis 5-mal höhere Energiespeicherdichten als konventionelle Heißwasserspeicher und können somit extrem platzsparend eingesetzt werden. Sie arbeiten mit zwei Medien, einem Arbeits- und einem Speichermedium. Als Arbeitsmedium wird häufig Wasser eingesetzt. Das Speichermedium besitzt eine poröse Struktur und eine damit verbundene große Oberfläche. An dieser Oberfläche können verhältnismäßig große Mengen des Arbeitsmediums Wasser gebunden werden. Bei der Anlagerung des gasförmig vorliegenden Wassers ändert sich der Aggregatzustand des Wassers von gasförmig zu flüssig. Hierdurch wird die Verdampfungsenthalpie in Form von Wärme freigesetzt, welche dem Nutzer zur Verfügung steht. Um den Speicher wieder zu regenerieren bzw. aufzuladen, wird das gebundene, flüssige Wasser durch Wärmezufuhr wieder verdampft und somit vom Speichermedium gelöst. /AEE/, /Purkarthofer/ Grundsätzlich lassen sich die thermochemischen Speicher nach der Art des Speichermediums in 2 verschiedene Untergruppen einteilen, in die Adsorptions- und die Absorptions-speicher. Bei den Adsorptionsspeichern liegt das Speichermedium als fester, mikroporöser Stoff vor, welcher das Wasser an sich bindet. Die Absorp-tionsspeicher verwenden hingegen eine wässrige Salzlösung, welche stark hygroskopisch ist und somit den Wasserdampf absorbiert. Die nachfolgende Abbildung zeigt den Lade- bzw. Entladevorgang am Beispiel eines Adsorptionsspeichers. Auf der linken Seite wird das Beladen des Speichers durch die Abspaltung der Wassermoleküle aus dem Adsorbens und auf der rechten Seite die Entladung durch Anlagerung der Wassermoleküle dargestellt.

Abb. 1: Schema Sorptionsspeicher

2. Speichermaterial

In Adsorptionsspeichern werden hauptsächlich Zeolithe und Silikagele als Arbeitsmittel eingesetzt. Diese chemischen Verbindungen sind durch ihre große Oberfläche in der Lage, sehr große Mengen an Wasser zu binden. Das Sorbens Zeolith 13X kann beispielsweise bis zu 30% seines trockenen Eigengewichts an Wasser aufnehmen. Auch Metallhydride sind für diesen Einsatz geeignet. /Krönauer/ Neben dem Einsatz fester Medien ist für die Absorptionstechnik die Nutzung flüssiger Speichermedien, meist Salzlösungen, notwendig. An diese Salzlösungen kann sich das Wasser nicht anlagern, sondern vermischt sich mit der Lösung. Beim Beladen wird das Wasser aus der Salzlösung ausgetrieben und beim Entladen eingelagert.

3. Be- und Entladung

Im entladenen Zustand ist an der porösen Oberfläche des Speichermaterials Wasser angelagert. Dieses wird beim Beladen, d.h. durch die Zufuhr von Wärme abgespalten und verdampft. Hierzu wird trockene Luft auf einem hohen Temperaturniveau benötigt (100 - 300 °C), welche durch das Festbett des Adsorbens strömt. Dabei kühlt sich die Luft ab und nimmt den ausgetriebenen Wasserdampf auf. Beim Austritt besitzt sie nur noch eine Temperatur von 40 - 60 °C und eine relative Luftfeuchte von bis zu 90%. Der in der Luft enthaltene Wasserdampf kann anschließend auskondensiert und die damit gewonnene Wärme in einen Niedertemperaturheizkreis eingekoppelt werden. Wird das getrocknete Festbett nach der Beladung luftdicht verschlossen, kann dieses theoretisch für eine unbegrenzte Zeit gelagert werden, ohne dass die Fähigkeit Wasserdampf zu adsorbieren verschwindet. Dadurch ist eine sehr lange, verlustarme Speicherung von Wärme möglich. Das Entladen geschieht umgekehrt. Umgebungsluft wird mit Wasserdampf möglichst gesättigt und bei einer niedrigen Temperatur (20 - 60 °C) dem Festbett zugeführt. Der Was-serdampf wird adsorbiert und die nun sehr trockene Luft strömt anschließend mit einer Temperatur von bis zu 200 °C aus dem Speicher. /Krönauer/

4. Größe

Diese Wärmespeicher sind hauptsächlich in kleinen Ausführungen als Pilot-projekte verfügbar, d.h. mit Speichervolumen von einigen m³. /AEE/ Ein in München installierter Speicher mit insgesamt 7.000 kg Zeolith 13X wird in einem Fernwärmenetz als Lastausgleich betrieben. Er wird nachts mit Fernwärme beladen und kann tagsüber die Wärme wieder zur Verfügung stellen. /Krönauer/

5. Anforderungen / Einsatzbedingungen

Die verschiedenen Speichermaterialien variieren in ihren Strukturen, Leis-tungsdichten und Anwendungstemperaturen. Daher muss der Speicher für die verschiedenen Betriebsparameter konkret ausgelegt werden. Es werden relativ hohe Ladetemperaturen (> 100 °C) und geeignete Niedertemperatur-quellen zur Entladung benötigt.

6. Kosten / Wirtschaftlichkeit

Die Investitionskosten des Sorptionsspeichers sind mit 50 - 100 EUR pro kWh deutlich höher als die aller anderen Speicher. Allein die Kosten für das Sorptionsmedium liegen im Bereich von 2 - 5 EUR pro kg. Ob der Speicher wirtschaftlich arbeiten kann, ist daher von der Anzahl der Be- und Entladungen im Nutzungszeitraum abhängig und kann allgemein nicht formuliert werden. Als saisonaler Wärmespeicher ist diese Technologie aufgrund der geringen Zyklenzahl eher ungeeignet. /AEE/, /Hauer, Lävemann/

7. Technische Reife

In diesen Speichern steckt noch viel Entwicklungspotential. Bis jetzt wurden großtechnisch nur Pilotprojekte erfolgreich durchgeführt.

8. Hersteller

Sorptionsspeicher existieren derzeit nur als Pilotanlagen. Eine Testanlage wurde von der AEE Intec, Gleisdorf A, betreut.