Thermochemischer Wärmespeicher

thermochemischer Wärmespeicher

Eine thermochemischer Wärmespeicher (auch thermochemischer Langzeitspeicher) ist ein Energiespeicher, der Wärme nicht in Form einer erhöhten Temperatur speichert, sondern in einer reversiblen chemisch-physikalischen Reaktion. Im Gegensatz zu einem Warmwasserspeicher verliert ein thermochemischer Speicher seine gespeicherte Energie während der Lagerung nahezu nicht, solange die beteiligten Stoffe voneinander getrennt bleiben.

Thermochemische Wärmespeicher gelten als vielversprechende Technologie für die saisonale Speicherung von Wärmeenergie. Überschüssige Solarwärme aus dem Sommer kann dadurch theoretisch bis zum Winter gespeichert werden, ohne dass nennenswerte Wärmeverluste auftreten. Als Speichermaterialien kommen unter anderem Zeolithe, Silikagel, Aktivkohle sowie verschiedene Salzverbindungen zum Einsatz.

Die Technologie befindet sich derzeit überwiegend im Forschungs- und Demonstrationsstadium, gilt jedoch als wichtiger Baustein zukünftiger Energiesysteme mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien.

Grundprinzip

Der grundlegende Unterschied zu herkömmlichen Wärmespeichern besteht darin, wie die Energie gespeichert wird.

Ein gewöhnlicher Warmwasserspeicher speichert Wärme durch eine höhere Temperatur des Wassers. Selbst bei einer sehr guten Wärmedämmung geht kontinuierlich Energie an die Umgebung verloren. Je länger der Speicher steht, desto stärker kühlt er aus.

Ein thermochemischer Wärmespeicher verfolgt dagegen ein völlig anderes Prinzip.

Die zugeführte Wärme wird zunächst verwendet, um zwei Stoffe voneinander zu trennen oder eine chemisch-physikalische Bindung zu lösen. Die dabei eingesetzte Energie verschwindet nicht, sondern bleibt in dieser Trennung gespeichert. Erst wenn beide Stoffe später wieder miteinander reagieren, wird die zuvor eingebrachte Wärme erneut freigesetzt.

Da während der Lagerung keine erhöhte Temperatur erforderlich ist, treten praktisch keine Wärmeverluste auf.

Der einfache Vergleich: Gespannter Bogen

Ein anschaulicher Vergleich ist ein gespannter Bogen.

Zum Spannen eines Bogens muss zunächst Energie aufgewendet werden. Solange der Bogen gespannt bleibt, bleibt diese Energie gespeichert, obwohl keine Wärme entsteht.

Erst beim Lösen der Sehne wird die gespeicherte Energie wieder freigesetzt.

Ein thermochemischer Speicher funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip. Die Energie steckt nicht in einer hohen Temperatur, sondern im energetisch aufgeladenen Zustand der beteiligten Stoffe.

Warum spricht man von einem Langzeitspeicher?

Die größte Stärke thermochemischer Speicher liegt in ihrer außergewöhnlich langen Speicherzeit.

Während ein Warmwasserspeicher bereits nach wenigen Tagen oder Wochen einen erheblichen Teil seiner Energie verloren hat, kann ein vollständig regeneriertes Speichermaterial – beispielsweise trockenes Zeolith – seine gespeicherte Energie über Monate oder sogar Jahre nahezu unverändert behalten.

Die gespeicherte Energie geht erst dann wieder in Wärme über, wenn das Speichermaterial gezielt mit Wasserdampf oder einem anderen Reaktionspartner in Kontakt gebracht wird.

Geschichte

Die Idee, Wärme durch chemische Reaktionen zu speichern, ist deutlich älter als häufig angenommen.

Bereits im 18. Jahrhundert untersuchten Naturwissenschaftler die Fähigkeit bestimmter Minerale, Wasser aufzunehmen und beim Erhitzen wieder abzugeben. Besonders die Zeolithe weckten früh das Interesse der Forschung.

Die Entdeckung des Zeoliths

Im Jahr 1756 entdeckte der schwedische Mineraloge Baron Axel Fredrik von Cronstedt die Stoffgruppe der Zeolithe.

Beim Erhitzen beobachtete er, dass aus dem Mineral gebundenes Wasser austrat und der Stein scheinbar zu sieden begann. Daraus entstand der Name Zeolith, zusammengesetzt aus den griechischen Wörtern zeo („sieden“) und lithos („Stein“).

Zu diesem Zeitpunkt war die spätere Bedeutung als Wärmespeicher jedoch noch völlig unbekannt.

Vom Labor zur Energietechnik

Im 19. Jahrhundert beschäftigten sich zahlreiche Wissenschaftler mit Adsorptions- und Absorptionsprozessen.

Erst im 20. Jahrhundert wurde erkannt, dass sich diese Prozesse nicht nur zur Kälteerzeugung, sondern auch zur langfristigen Speicherung von Wärme eignen könnten.

Mit den Ölkrisen der 1970er Jahre gewann die Suche nach alternativen Energiespeichern erheblich an Bedeutung. Forschungseinrichtungen begannen, thermochemische Speicher für Solarenergie zu entwickeln.

Seit den 1990er Jahren entstanden zahlreiche Demonstrationsanlagen, unter anderem in Deutschland, Österreich, den Niederlanden und der Schweiz.

Heute arbeiten verschiedene Universitäten und Forschungsinstitute an der Entwicklung kompakter Wärmespeicher für Wohngebäude sowie größerer saisonaler Speicher für Nah- und Fernwärmenetze.

Warum werden neue Wärmespeicher benötigt?

Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien entsteht zunehmend ein zeitliches Problem.

Solarthermie-Anlagen erzeugen den größten Teil ihrer Wärme genau dann, wenn sie am wenigsten benötigt wird: im Sommer.

Der höchste Wärmebedarf besteht dagegen im Winter.

Ein herkömmlicher Pufferspeicher kann diese Zeitspanne nicht überbrücken, da seine gespeicherte Wärme bereits nach wenigen Tagen oder Wochen weitgehend verloren geht.

Thermochemische Wärmespeicher verfolgen deshalb ein anderes Ziel:

Sie sollen die überschüssige Wärme des Sommers aufnehmen, monatelang nahezu verlustfrei speichern und erst während der Heizperiode wieder freisetzen.

Genau diese Eigenschaft macht sie zu einem der interessantesten Forschungsgebiete der modernen Energietechnik.

Vergleich verschiedener Wärmespeicher

Merkmal	Warmwasserspeicher	Latentwärmespeicher	Thermochemischer Wärmespeicher
Speicherprinzip	fühlbare Wärme	Phasenwechsel	chemisch-physikalische Reaktion
Wärmeverluste	kontinuierlich	gering	nahezu keine während der Lagerung
Saisonale Speicherung	ungeeignet	eingeschränkt	sehr gut geeignet
Speichertemperatur	hoch	mittel	Umgebungstemperatur ausreichend
Typische Speicherzeit	Tage bis Wochen	Wochen	Monate bis Jahre

Die Physik hinter dem Wärmespeicher

Um zu verstehen, warum ein thermochemischer Wärmespeicher über Monate nahezu ohne Energieverlust arbeiten kann, muss zunächst geklärt werden, was Wärme überhaupt ist.

Was ist Wärme?

Im physikalischen Sinn ist Wärme keine Substanz, sondern eine Form der Energie.

Alle Atome und Moleküle befinden sich ständig in Bewegung. Je stärker sich diese Teilchen bewegen, desto höher ist ihre Temperatur.

Ein klassischer Warmwasserspeicher speichert Wärme deshalb ausschließlich in der Bewegungsenergie seiner Wassermoleküle.

Je heißer das Wasser wird, desto mehr Energie enthält es.

Das Problem besteht jedoch darin, dass sich Wärme immer vom warmen zum kalten Bereich ausbreitet.

Selbst die beste Wärmedämmung kann diesen Vorgang nur verlangsamen, jedoch niemals vollständig verhindern.

Deshalb kühlt jeder Warmwasserspeicher mit der Zeit aus.

Ein völlig anderer Speicheransatz

Der thermochemische Wärmespeicher verfolgt einen grundsätzlich anderen Ansatz.

Die eingebrachte Wärme wird nicht als hohe Temperatur gespeichert.

Stattdessen wird sie verwendet, um eine Bindung zwischen zwei Stoffen zu lösen.

Bei einem Zeolithspeicher geschieht dies durch das Austreiben von Wasser aus den mikroskopisch kleinen Poren des Minerals.

Die eingesetzte Wärme verschwindet dabei nicht.

Sie wird in Form eines energetisch aufgeladenen Zustands gespeichert.

Erst wenn das trockene Zeolith später erneut mit Wasserdampf in Berührung kommt, entsteht wieder dieselbe Bindung.

Dabei wird nahezu die gleiche Wärmemenge wieder frei, die zuvor zum Trocknen erforderlich war.

Wo befindet sich die gespeicherte Energie?

Diese Frage sorgt häufig für Verwirrung.

Die Energie befindet sich weder im Wasser noch im Zeolith allein.

Sie steckt vielmehr in dem Zustand, dass beide Stoffe voneinander getrennt wurden.

Man kann sich dies wie zwei starke Magnete vorstellen.

Solange sie voneinander getrennt gehalten werden, wurde Arbeit aufgewendet.

Lässt man sie wieder zusammenfinden, wird diese Energie wieder frei.

Beim thermochemischen Speicher übernehmen Wassermoleküle und Zeolith diese Rolle.

Warum geht dabei kaum Energie verloren?

Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass während der Lagerung keine erhöhte Temperatur vorhanden sein muss.

Ein vollständig regenerierter Zeolithspeicher besitzt häufig nahezu Umgebungstemperatur.

Da kaum ein Temperaturunterschied zur Umgebung besteht, kann praktisch auch keine Wärme entweichen.

Die Energie bleibt solange gespeichert, bis Wasserdampf wieder in das Speichermaterial eindringen kann.

Erst dann beginnt die eigentliche Wärmeerzeugung.

Adsorption und Desorption

Die meisten thermochemischen Wärmespeicher arbeiten nach dem Prinzip der Adsorption.

Dabei handelt es sich um einen physikalischen Vorgang, bei dem sich Moleküle an den Oberflächen eines Feststoffes anlagern.

Adsorption

Zeolith besitzt Milliarden mikroskopisch kleiner Poren.

Die gesamte innere Oberfläche eines einzigen Kilogramms Zeolith kann mehrere hundert Quadratmeter betragen.

Trifft Wasserdampf auf diese riesige innere Oberfläche, lagern sich die Wassermoleküle dort an.

Dieser Vorgang wird als Adsorption bezeichnet.

Während der Adsorption entsteht Bindungsenergie.

Diese Energie wird unmittelbar als Wärme frei.

Genau diese Wärme kann anschließend zum Heizen genutzt werden.

Desorption

Der umgekehrte Vorgang heißt Desorption.

Hier wird dem Zeolith Wärme zugeführt.

Die Wassermoleküle lösen sich wieder von den inneren Oberflächen und verlassen das Material als Wasserdampf.

Das Zeolith befindet sich anschließend wieder im vollständig regenerierten Zustand.

Nun kann der gesamte Vorgang erneut beginnen.

Da beide Prozesse beliebig oft wiederholt werden können, besitzen Zeolithe eine außerordentlich hohe Lebensdauer.

Warum eignet sich gerade Zeolith?

Nicht jeder poröse Stoff kann als thermochemischer Wärmespeicher dienen.

Ein geeignetes Speichermaterial muss zahlreiche Anforderungen gleichzeitig erfüllen.

Es muss

• sehr viele Poren besitzen,
• Wasserdampf schnell aufnehmen,
• Wasser ebenso leicht wieder abgeben,
• hohe Temperaturen aushalten,
• chemisch stabil bleiben,
• über viele tausend Ladezyklen hinweg funktionieren.

Zeolith erfüllt diese Anforderungen außergewöhnlich gut.

Seine Kristallstruktur bildet ein regelmäßiges Netzwerk winziger Kanäle.

Diese Kanäle sind nur wenige Nanometer groß.

Dadurch entsteht eine enorme innere Oberfläche, an der sich Wassermoleküle anlagern können.

Gleichzeitig bleibt das Material selbst hart und formstabil.

Es quillt nicht auf und wird auch bei häufigem Wechsel zwischen trockenem und feuchtem Zustand kaum beschädigt.

Warum funktioniert das nicht mit Sand?

Auf den ersten Blick erscheint Sand ebenfalls porös.

Tatsächlich besitzt gewöhnlicher Quarzsand jedoch nur eine vergleichsweise kleine Oberfläche.

Die Wassermoleküle finden dort nur wenige Bindungsstellen.

Dadurch wird nur sehr wenig Wärme freigesetzt.

Zeolith besitzt dagegen ein Vielfaches der inneren Oberfläche.

Erst diese riesige Kontaktfläche macht den thermochemischen Speicher überhaupt wirtschaftlich.

Aus diesem Grund gelten Zeolithe bis heute als eines der wichtigsten Speichermaterialien für Adsorptionssysteme.

Merke

Nicht die Temperatur speichert die Energie.

Die Energie steckt im trockenen, regenerierten Zustand des Speichermaterials.

Erst wenn Wasserdampf wieder aufgenommen wird, wird die gespeicherte Energie als Wärme freigesetzt.

Speichermaterialien

Obwohl Zeolith als bekanntestes Speichermaterial gilt, existieren zahlreiche weitere Stoffe, die sich grundsätzlich für thermochemische Wärmespeicher eignen. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Speicherdichte, Regenerationstemperatur, Kosten und Langzeitstabilität.

Die Wahl des geeigneten Materials hängt deshalb stark vom jeweiligen Einsatzgebiet ab.

Zeolith

Zeolith gehört zu den Alumosilikaten und kommt sowohl natürlich als auch synthetisch hergestellt vor.

Durch seine regelmäßige Kristallstruktur besitzt Zeolith Milliarden mikroskopisch kleiner Poren. Diese bilden eine außergewöhnlich große innere Oberfläche, an der Wassermoleküle adsorbiert werden können.

Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören:

• hohe chemische Stabilität
• hohe Temperaturbeständigkeit
• ungiftig
• nicht brennbar
• praktisch unbegrenzt wiederverwendbar
• hohe Lebensdauer
• keine Alterung durch Selbstentladung

Aus diesen Gründen gilt Zeolith heute als eines der wichtigsten Materialien für thermochemische Wärmespeicher.

Silikagel

Silikagel ist vielen Menschen aus kleinen Trockenmittelbeuteln in Verpackungen bekannt.

Auch Silikagel kann große Mengen Wasserdampf aufnehmen und wieder abgeben.

Seine Vorteile sind:

• preisgünstig
• gute Wasseraufnahme
• niedrige Regenerationstemperaturen

Nachteilig ist jedoch die geringere Energiedichte gegenüber hochwertigen Zeolithen.

Aktivkohle

Aktivkohle besitzt ebenfalls eine enorme innere Oberfläche.

Je nach Anwendung wird sie mit verschiedenen Arbeitsstoffen kombiniert, beispielsweise Methanol oder Ammoniak.

Solche Systeme kommen vor allem in industriellen Kälteanlagen und speziellen Wärmespeichern zum Einsatz.

Salzbasierte Speichermaterialien

Einige thermochemische Speicher beruhen nicht auf Adsorption, sondern auf reversiblen chemischen Reaktionen von Salzen.

Typische Beispiele sind:

• Calciumchlorid
• Magnesiumsulfat
• Natriumsulfid
• Lithiumchlorid

Diese Stoffe können teilweise sehr hohe Energiemengen speichern.

Allerdings reagieren viele Salze empfindlich auf Feuchtigkeit, können verklumpen oder ihr Volumen verändern.

Ihre technische Nutzung stellt deshalb höhere Anforderungen an die Konstruktion.

Vergleich der wichtigsten Speichermaterialien

Eigenschaften verschiedener Speichermaterialien

Material	Speichermedium	Vorteile	Nachteile
Zeolith	Wasser	langlebig, stabil, hohe Lebensdauer	vergleichsweise teuer
Silikagel	Wasser	preiswert, niedrige Regenerationstemperatur	geringere Speicherdichte
Aktivkohle	Wasser, Methanol oder Ammoniak	hohe Oberfläche	abhängig vom Arbeitsstoff
Salzsysteme	Wasser	sehr hohe Energiedichte möglich	teilweise empfindlich gegen Feuchtigkeit und Alterung

Aufbau eines thermochemischen Wärmespeichers

Obwohl sich die verschiedenen Bauarten unterscheiden, besitzen nahezu alle thermochemischen Speicher denselben grundsätzlichen Aufbau.

Sie bestehen aus:

• einem Speichermaterial (z. B. Zeolith),
• einem Behälter für den Wasserdampf,
• einem Wärmetauscher,
• einer Luft- oder Dampfleitung,
• Ventilen sowie
• einer Steuerung.

Während des Ladevorgangs wird Wärme in den Speicher eingebracht.

Während des Entladevorgangs wird Wärme wieder entnommen.

Der eigentliche Speicher besitzt dabei häufig nahezu Umgebungstemperatur.

Der Ladevorgang

Das Laden entspricht der Regeneration des Speichermaterials.

Hierzu wird dem Zeolith Wärme zugeführt.

Diese Wärme stammt beispielsweise aus:

• Solarthermie
• industrieller Abwärme
• Blockheizkraftwerken
• Biomasseanlagen
• Geothermie

Durch die Wärmezufuhr verlassen die Wassermoleküle die Poren des Zeoliths.

Der entstehende Wasserdampf wird abgeführt und anschließend kondensiert.

Das Zeolith befindet sich danach im vollständig getrockneten Zustand.

In diesem Moment ist der Speicher "geladen".

Die ursprünglich eingesetzte Wärme wurde nun in Form des trockenen Zustands gespeichert.

Die Lagerphase

Die Lagerung unterscheidet den thermochemischen Speicher von nahezu allen anderen Wärmespeichern.

Während ein Warmwasserspeicher ständig Wärme verliert, verändert sich ein trocken gelagerter Zeolithspeicher praktisch nicht.

Es findet

• keine chemische Alterung,
• keine Selbstentladung,
• keine nennenswerte Wärmeabgabe

statt.

Voraussetzung ist lediglich, dass das Speichermaterial dauerhaft trocken bleibt.

Aus diesem Grund eignen sich thermochemische Speicher besonders für saisonale Anwendungen.

Praxisbeispiel

Ein Einfamilienhaus besitzt eine große Solarthermieanlage.

Im Sommer erzeugt diese erheblich mehr Wärme, als für Warmwasser benötigt wird.

Anstatt diese überschüssige Energie ungenutzt abzuführen, wird damit ein Zeolithspeicher regeneriert.

Während der folgenden Monate bleibt der Speicher nahezu unverändert.

Erst im Winter wird feuchte Luft kontrolliert durch den Speicher geleitet.

Das Zeolith adsorbiert den Wasserdampf und gibt dabei die im Sommer gespeicherte Wärme wieder frei.

Auf diese Weise kann Sommerwärme erstmals über viele Monate nahezu verlustfrei bis in die Heizperiode übertragen werden.

Merke

Ein thermochemischer Wärmespeicher speichert keine heiße Luft und kein heißes Wasser.

Er speichert den energetischen Zustand eines Materials.

Deshalb kann die gespeicherte Energie auch nach Monaten noch nahezu vollständig zur Verfügung stehen.

Der Entladevorgang

Der Entladevorgang ist der eigentliche Nutzungsprozess des thermochemischen Wärmespeichers.

Während des Ladevorgangs wurde das Speichermaterial durch Wärmezufuhr getrocknet und damit regeneriert. Nun läuft derselbe Prozess in umgekehrter Richtung ab.

Dem trockenen Zeolith wird kontrolliert Wasserdampf oder feuchte Luft zugeführt.

Sobald die Wassermoleküle auf die riesige innere Oberfläche des Zeoliths treffen, lagern sie sich an den Porenwänden an. Dieser Vorgang wird als Adsorption bezeichnet.

Dabei entsteht unmittelbar Adsorptionswärme.

Diese Wärme wird über einen Wärmetauscher aufgenommen und anschließend an das Heizsystem abgegeben.

Das Speichermaterial erwärmt sich dabei selbst, ohne dass eine Verbrennung oder chemische Zersetzung stattfindet.

Ist das gesamte Zeolith mit Wasser gesättigt, endet der Entladevorgang.

Der Speicher muss anschließend erneut regeneriert werden.

Der Energiefluss

Der Energiefluss eines thermochemischen Wärmespeichers unterscheidet sich deutlich von dem eines herkömmlichen Warmwasserspeichers.

Beim klassischen Pufferspeicher wird Wärme direkt gespeichert.

Beim thermochemischen Speicher erfolgt dagegen zunächst eine Umwandlung der Wärme in einen energetisch aufgeladenen Materialzustand.

Der Energiefluss lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen:

Energiefluss eines Zeolithspeichers

Schritt	Vorgang
1	Solarthermie oder Abwärme liefert Wärmeenergie.
2	Das Zeolith wird regeneriert und getrocknet.
3	Der trockene Zustand wird über Monate gespeichert.
4	Wasserdampf wird wieder zugeführt.
5	Das Zeolith adsorbiert Wasser.
6	Adsorptionswärme entsteht.
7	Der Wärmetauscher überträgt die Wärme an das Heizsystem.

Während der eigentlichen Lagerung findet nahezu kein Energiefluss statt.

Erst beim Kontakt mit Wasserdampf wird die gespeicherte Energie wieder freigesetzt.

Saisonale Wärmespeicherung

Die größte Stärke thermochemischer Speicher liegt in ihrer Fähigkeit, Wärme über sehr lange Zeiträume zu speichern.

Diese Anwendung wird als saisonale Wärmespeicherung bezeichnet.

Dabei wird überschüssige Wärme des Sommers bis in die Heizperiode des Winters konserviert.

Warum sind herkömmliche Speicher dafür ungeeignet?

Ein großer Warmwasserspeicher verliert trotz guter Wärmedämmung ständig Energie.

Selbst mehrere Meter starke Dämmungen können den Wärmeverlust lediglich verringern.

Über mehrere Monate würde ein solcher Speicher nahezu vollständig auskühlen.

Thermochemische Speicher umgehen dieses Problem.

Da die Energie nicht als Temperatur gespeichert wird, sondern im regenerierten Speichermaterial gebunden ist, entstehen während der Lagerung praktisch keine Wärmeverluste.

Ein einfaches Beispiel

Angenommen, ein Haus besitzt eine große Solarthermieanlage.

Im Juli erzeugt diese täglich deutlich mehr Wärme, als für Warmwasser oder Heizung benötigt wird.

Bei einem herkömmlichen System geht dieser Energieüberschuss verloren.

Mit einem thermochemischen Speicher wird dagegen das Zeolith regeneriert.

Der Speicher bleibt anschließend bis zum Winter nahezu unverändert.

Erst im Dezember oder Januar wird feuchte Luft kontrolliert durch den Speicher geleitet.

Innerhalb weniger Minuten beginnt das Zeolith erneut Wärme freizusetzen.

Somit wird ein Teil der Sommerenergie erstmals für die Winterheizung nutzbar.

Wirkungsgrad

Wie jeder Energiespeicher arbeitet auch ein thermochemischer Speicher nicht völlig verlustfrei.

Während der Regeneration, der Wärmeübertragung und der Luftführung entstehen Verluste.

Der entscheidende Vorteil liegt jedoch darin, dass während der eigentlichen Lagerzeit nahezu keine Energie verloren geht.

Dadurch unterscheiden sich thermochemische Speicher grundlegend von sensiblen Wärmespeichern wie Wasser oder Beton.

Der Gesamtwirkungsgrad hängt unter anderem ab von:

• dem verwendeten Speichermaterial,
• der Regenerationstemperatur,
• der Konstruktion des Wärmetauschers,
• der Luft- beziehungsweise Dampfströmung,
• der Qualität der Wärmedämmung,
• der Betriebsweise des Gesamtsystems.

Moderne Versuchsanlagen erreichen bereits hohe energetische Wirkungsgrade, wobei die Forschung weiterhin an einer Verbesserung der Wärmeübertragung und einer höheren Leistungsdichte arbeitet.

Typische Bauformen

Je nach Anwendungsgebiet unterscheiden sich thermochemische Wärmespeicher erheblich in ihrem Aufbau.

Man unterscheidet unter anderem:

• Festbett-Speicher

Das Speichermaterial befindet sich als festes Schüttgut in einem Behälter. Feuchte Luft oder Wasserdampf strömt durch das Material.

• Modulspeicher

Mehrere Speichermodule arbeiten parallel. Während einzelne Module geladen werden, können andere bereits Wärme liefern.

• Container-Speicher

Für größere Energiemengen werden komplette Speichercontainer eingesetzt, die mehrere Tonnen Speichermaterial aufnehmen können.

• Kompaktspeicher

Ziel aktueller Forschungsprojekte sind möglichst kleine Speicher mit hoher Energiedichte für Ein- und Mehrfamilienhäuser.

Merke

Der eigentliche Wärmespeicher ist nicht das Zeolith allein.

Erst das Zusammenspiel aus Speichermaterial, Wasserdampf, Wärmetauscher und Regelung macht aus dem Material einen leistungsfähigen thermochemischen Energiespeicher.

Anwendungen

Thermochemische Wärmespeicher befinden sich derzeit überwiegend in der Forschungs- und Demonstrationsphase. Dennoch existieren bereits zahlreiche Anwendungsgebiete, in denen diese Technologie erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Wärmespeichern bieten kann.

Besonders interessant sind Anwendungen, bei denen Wärme über längere Zeiträume gespeichert oder überschüssige Wärme sinnvoll genutzt werden soll.

Wohngebäude

Für Ein- und Mehrfamilienhäuser gelten thermochemische Wärmespeicher als eine mögliche Zukunftstechnologie.

Im Sommer erzeugen Solarthermieanlagen häufig deutlich mehr Wärme, als für Warmwasser benötigt wird. Während diese Energie bei herkömmlichen Anlagen meist ungenutzt bleibt oder abgeführt werden muss, kann sie zur Regeneration eines thermochemischen Speichers genutzt werden.

Während der Heizperiode wird die gespeicherte Energie anschließend wieder freigesetzt.

Dadurch könnte der Bedarf an fossilen Brennstoffen erheblich reduziert werden.

Industrie

In vielen industriellen Prozessen entstehen große Mengen Abwärme.

Ein erheblicher Teil dieser Energie wird bislang ungenutzt an die Umgebung abgegeben.

Thermochemische Speicher ermöglichen es, diese Wärme aufzunehmen, über längere Zeiträume zu speichern und später wieder für Produktionsprozesse oder Heizsysteme bereitzustellen.

Dadurch kann der Gesamtenergiebedarf eines Unternehmens deutlich sinken.

Fernwärmenetze

Auch in Nah- und Fernwärmenetzen könnten thermochemische Speicher künftig eine wichtige Rolle spielen.

Insbesondere im Sommer entstehen häufig Wärmeüberschüsse aus:

• Solarthermieanlagen
• Biomassekraftwerken
• Müllheizkraftwerken
• industrieller Abwärme

Anstatt diese Energie ungenutzt abzuführen, könnte sie thermochemisch gespeichert und erst während der Heizperiode wieder in das Wärmenetz eingespeist werden.

Mobile Anwendungen

Neben stationären Speichern wird auch an mobilen Wärmespeichern geforscht.

Dabei wird das regenerierte Speichermaterial in Containern oder speziellen Behältern transportiert.

Die eigentliche Energie befindet sich dabei nicht in Form heißer Flüssigkeiten, sondern im trockenen Speichermaterial.

Dadurch entstehen während des Transports kaum Wärmeverluste.

Kombination mit erneuerbaren Energien

Thermochemische Wärmespeicher eignen sich besonders gut für die Kombination mit erneuerbaren Energiequellen.

Solarthermie

Die naheliegendste Kombination besteht mit Solarthermieanlagen.

An sonnigen Sommertagen liefern diese häufig wesentlich mehr Wärme als unmittelbar benötigt wird.

Mit einem thermochemischen Speicher kann dieser Überschuss erstmals langfristig gespeichert werden.

Photovoltaik

Photovoltaikanlagen erzeugen elektrischen Strom.

Dieser kann beispielsweise zum Betrieb einer Wärmepumpe verwendet werden.

Die erzeugte Wärme könnte anschließend wiederum einen thermochemischen Speicher regenerieren.

Dadurch entsteht ein Energiesystem, das Strom- und Wärmeerzeugung miteinander verbindet.

Biomasse

Auch Biomasseheizungen eignen sich hervorragend zur Regeneration thermochemischer Speicher.

Überschüssige Heizleistung kann gespeichert werden, anstatt ungenutzt verloren zu gehen.

Industrielle Abwärme

Besonders interessant ist die Nutzung industrieller Abwärme.

Viele Produktionsanlagen arbeiten ganzjährig und erzeugen kontinuierlich Wärme.

Diese könnte direkt zum Laden thermochemischer Speicher genutzt werden.

Bedeutung für autarke Energiesysteme

Für autarke Gebäude besitzt die Technologie ein außergewöhnlich großes Potenzial.

Ein vollständig autarkes Energiesystem könnte beispielsweise aus folgenden Komponenten bestehen:

• Photovoltaikanlage
• Solarthermieanlage
• Batteriespeicher
• thermochemischer Wärmespeicher
• Warmwasserspeicher
• Wärmepumpe
• intelligente Regelung

Dabei übernimmt jeder Speicher eine andere Aufgabe.

Der Batteriespeicher gleicht kurzfristige Schwankungen des Strombedarfs aus.

Der Warmwasserspeicher speichert Wärme über Stunden oder wenige Tage.

Der thermochemische Speicher übernimmt dagegen die langfristige Speicherung über Wochen oder Monate.

Durch diese Kombination könnten Gebäude einen erheblich höheren Anteil ihres Energiebedarfs selbst decken.

Vergleich verschiedener Energiespeicher

Vergleich verschiedener Speichertechnologien

Merkmal	Batterie	Warmwasserspeicher	Latentwärmespeicher	Thermochemischer Wärmespeicher
Gespeicherte Energie	elektrische Energie	Wärme	Wärme	chemisch gebundene Wärme
Typische Speicherzeit	Stunden bis Wochen	Tage bis Wochen	Wochen	Monate bis Jahre
Selbstentladung	vorhanden	Wärmeverluste	geringe Wärmeverluste	nahezu keine
Saisonale Speicherung	wirtschaftlich schwierig	ungeeignet	eingeschränkt	sehr gut geeignet
Hauptanwendung	Stromversorgung	Heizung	Heiztechnik	Langzeit-Wärmespeicherung

Häufige Missverständnisse

„Der Speicher ist doch gar nicht warm.“

Das ist richtig.

Ein thermochemischer Wärmespeicher besitzt während der Lagerung häufig nahezu Umgebungstemperatur.

Die Energie befindet sich nicht als Wärme im Speicher, sondern im regenerierten Zustand des Speichermaterials.

„Ist das eine Batterie?“

Nein.

Eine Batterie speichert elektrische Energie durch elektrochemische Reaktionen.

Ein thermochemischer Wärmespeicher speichert dagegen Wärmeenergie in Form einer reversiblen Adsorptions- oder chemischen Reaktion.

„Kann der Speicher explodieren?“

Im Gegensatz zu Druckbehältern oder brennbaren Speichern arbeitet ein Zeolithspeicher meist bei Umgebungsdruck oder leichtem Unterdruck.

Da weder brennbare Gase noch hohe Drücke erforderlich sind, gelten solche Systeme grundsätzlich als sicher.

Wie jede technische Anlage müssen jedoch auch thermochemische Speicher fachgerecht konstruiert und betrieben werden.

Merke

Ein thermochemischer Wärmespeicher ersetzt weder eine Batterie noch einen Warmwasserspeicher.

Er ergänzt beide Systeme und schließt die Lücke der langfristigen Wärmespeicherung über Wochen und Monate.

In Arbeit