Energie künftiger Heizsysteme in Salz speichern

Solarthermische Kollektoren und Energiespeicherung in Salzbatterien können 71 Prozent des Heizbedarfs decken

Ein Behälter mit flüssigem Salz, unterkühltem Natriumacetat-Trihydrat, kann Energie aus erneuerbaren Energiequellen speichern, ohne Energie zu verlieren, schreibt Peter Aagaard Brixen auf der Webseite der Dänischen Technischen Universität (DTU). Neue Forschungsergebnisse der DTU zeigen, dass Salzbatterien die Herausforderung der kurz- und langfristigen Speicherung von Energie aus Sonnenkollektoren und Windenergie lösen können. Experimente haben gezeigt, dass ein Solarheizsystem mit 22 m² Sonnenkollektoren, einem Warmwasserspeicher und Salzbatterien bis zu 71 Prozent des Wärmebedarfs in einem energieeffizienten Drei-Personen-Haus im dänischen Klima decken kann.

Solarthermie – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

In Europa entfallen 40 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs auf Gebäude, der größte Teil davon auf Hausheizung. Daher sind neue technologische Lösungen mit Energiespeichern mit reduziertem Wärmeverlust unerlässlich. Gerald Englmair, Doktorand an der DTU Bauingenieurwesen, erläutert das neue Prinzip: “Wir sehen große Perspektiven in der Salzbatterie, die dazu beitragen wird, das Problem zu lösen, das wir mit den großen saisonalen Schwankungen bei der Produktion von Sonnen- und Windenergie in ganz Mittel- und Nordeuropa haben. In unserem Demonstrationssystem konnten die Salzbatterien sowohl kurz- als auch langfristig Wärme speichern. Das bedeutet, dass Energie aus Sonnenkollektoren gespeichert werden kann und den größten Teil des Energieverbrauchs in Häusern deckt, während die restlichen 29 Prozent in der Wintersaison aus Windenergie oder anderer Stromerzeugung stammen können”.

Gerald Englmair hat eine solarthermische Demonstrationsanlage mit 22,4 m2 evakuierten röhrenförmigen Sonnenkollektoren, einem Wärmespeicher, bestehend aus vier Wärmespeichern mit jeweils ca. 200 kg Natriumacetat-Trihydrat und einem 0,7 m3 Wassertank, getestet. Die Versuche wurden in den Testanlagen der DTU Civil Engineering durchgeführt, wo das System mit dem Raumwärmebedarf eines so genannten Passivhauses im dänischen Klima untersucht wurde. Dabei wurde der Warmwasserbedarf eines normalen Drei-Personen-Hauses berücksichtigt. Simulationen mit einem numerischen Modell zeigten, dass ein optimiertes System mit 1 m3 Natriumacetat-Trihydrat und einem 0,6 m3 Wassertank bis zu 71 Prozent des gesamten Jahresverbrauchs an Warmwasser und Energie für die Raumheizung im Haus liefern kann.

Die Technologie der Salzbatterien basiert auf dem Phänomen, dass Salz aus Essigsäure, Natriumacetat-Trihydrat, das einen Schmelzpunkt von 58 °C hat, in flüssigem Zustand auf Raumtemperatur herunterkühlen kann, nachdem es über 78 °C erhitzt wurde. Das Prinzip ist von den kleinen Plastiktüten mit flüssigem Salz bekannt, die bei kalter Witterung Finger oder Zehen warm halten können. Wenn man eine Metallscheibe drückt und einen Kristall von ihrer Oberfläche löst, kristallisiert die Flüssigkeit und erhitzt sich dabei auf bis zu 58 °C.

Die Freisetzung von Energie während der Abkühlung und zusätzlich bei Bedarf aus der kristallisierten Flüssigkeit kann in Häusern zur Erwärmung von Brauchwasser oder Heizkörpern genutzt werden, die nicht auf besonders hohe Temperaturen aufgeheizt werden müssen. Die Kristallbildung erfolgt in Sekundenschnelle, wobei sich der gesamte Behälter in einen massiven Kristallblock verwandelt. Sobald die Wärme freigesetzt wird, kann der Prozess des Wiederaufladens endlos wiederholt werden und ist nur durch die Haltbarkeit der Anlage begrenzt.

Gebaut aus Standardkomponenten

Versuche mit kombinierter Kurz- und Langzeitspeicherung von Energie in Salzbatterien wurden in einem Doktorandenprojekt von Gerald Englmair durchgeführt. Die Forschung kam zu dem Schluss, dass flache und zylindrische Speicher, die aus Stahl gebaut sind, in Solarheizsystemen eingesetzt werden können. Der Zusatz von Verdickungsmitteln erwies sich als geeignet, Natriumacetat-Trihydrat in flachen Prototyp-Einheiten zu stabilisieren, während in zylindrischen Einheiten SAT-Komposite mit Polymerlösungen bessere Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Darüber hinaus zeigt seine Arbeit, dass mehr Forschung hinsichtlich der Dimensionierung von Wärmetauschern in Lagern und der Systemanwendung in verschiedenen Klimazonen erforderlich ist.

Daher ist der nächste Schritt die Entwicklung kostengünstiger zylindrischer Speicher. Prototypen in verschiedenen Ausführungen und mit verschiedenen Vorrichtungen zur kontrollierten Aktivierung der Salzverfestigung werden derzeit an der DTU Bauwesen getestet. Entsprechende Speicherkomponenten wie Rohrbündelwärmetauscher wurden von einem deutschen Unternehmen für eine optimierte Wärmeübertragung hergestellt. Ein Prototyp mit Standardwassertankkomponenten wurde von NILAN A/S in Dänemark hergestellt. Bei dieser Konstruktion handelt es sich um eine Tank-in-Tank-Einheit, die die thermische Schichtung im Außentank für den Brauchwassereinsatz nutzt. Sie speichert 27 kWh Wärme zwischen 25 °C und 90 °C, von denen 11,5 kWh bei Raumtemperatur verlustfrei gespeichert werden können.

“Wir wollen die Hersteller bei ihren Bemühungen unterstützen, effiziente Wärmespeicher mit intelligenten Steuerungen zu entwickeln, die von verschiedenen Systemen für erneuerbare Energien genutzt werden. Solche Wärmespeicher werden für das zukünftige Energiesystem geeignet sein, weil sie flexibel sind und Zeiten mit billigem Strom und einem hohen Anteil an erneuerbarer Energie nutzen können. Ich glaube, dass diese Technologie innerhalb der nächsten fünf Jahre für den kommerziellen Einsatz bereit sein wird”, sagt Associate Professor Simon Furbo, der das Doktorandenprojekt von Gerald Englmair über Salzbatterien betreut hat.

Abstract der Dissertation von Gerald Englmair:
Kombinierte Kurz- und Langzeit-Wärmespeicherung mit Natriumactetat-Trihydrat für solare Kombisysteme

Mit der zunehmenden Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen ist die Solarheizung zu einer vielversprechenden Technologie zur Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe im Gebäudesektor geworden. Aufgrund des Missverhältnisses zwischen den Solarenergieressourcen und den Nachfragemustern von Einfamilienhäusern in Mittel- und Nordeuropa ist die langfristige Wärmespeicherung für solare Kombisysteme, die die Warmwasserversorgung und Heizung mit einem solaren Anteil von mehr als 50% abdecken, unerlässlich.

Daher wurde ein Konzept für die kombinierte Kurz- und Langzeit-Wärmespeicherung unter Verwendung einer stabilen Unterkühlung von Natriumacetat-Trihydrat (SAT) auf seine Anwendbarkeit in Kombisystemen untersucht. Das Konzept ermöglicht die Nutzung der sensiblen Wärmekapazität von flüssigen SAT-Verbundwerkstoffen unter Beibehaltung der Schmelzwärme bei Raumtemperatur. Dadurch wird eine verlustfreie Wärmespeicherung erreicht, die in Zeiten ohne verfügbare Sonneneinstrahlung zur bedarfsgerechten Versorgung genutzt werden kann. Das Forschungsziel war die Entwicklung eines Wärmespeicher-Prototyps und dessen Erprobung in einem vollwertigen Labor-Solarheizsystem. Die Ergebnisse wurden sowohl bei der Systemsimulation als auch bei der Auslegung kostengünstiger Wärmespeicher verwendet.

Als geeignete Wärmespeichermaterialien wurden SAT-Verbundwerkstoffe mit Verdickungsmitteln und flüssigen Polymeren identifiziert. Ihre Schmelzwärme, die im unterkühlten Zustand bei 20 °C zur Verfügung steht, wurde im Bereich von 205-216 kJ/kg bestimmt. Materialtests zeigten, dass SAT-Verbundwerkstoffe in Glasflaschen auf Temperaturen von etwa -24 °C unterkühlen und im Kontakt mit Stahl im Bereich von -9 °C bis -15 °C kristallisieren. Daher waren Vorrichtungen mit mechanischer Impfkristalleinspritzung und lokaler Kühlung durch Peltier-Elemente oder verdampfendes Kohlendioxid anwendbar, um die Kristallisation unterkühlter SAT-Verbundwerkstoffe bei Bedarf zu initiieren. Vier Wärmespeichereinheiten, die jeweils 200-220 kg SAT-Verbundwerkstoffe enthielten, und ein 735-Liter-Wassertank bildeten einen segmentierten Wärmespeicher-Prototypen.

Es wurde eine Systemsteuerungsstrategie entwickelt, um den Wärmespeicher mit einer Anordnung von 22,4 m2 (Öffnung) evakuierten röhrenförmigen Sonnenkollektoren zu laden und die Warmwasserversorgung und Raumheizung zu ermöglichen. Eine Systemdemonstration mit Wärmebedarfsmustern eines Passivhauses im dänischen Klima und verifizierten Steuerungsparametern bewies die Anwendbarkeit des Wärmespeicherkonzepts. Systemsimulationen für ein Solarheizsystem für das Haus mit einem jährlichen Wärmebedarf von 3977 kWh mit optimierten Komponentenspezifikationen und 1 m3 SAT-Verbundwerkstoffen und 22,4 m2 (Öffnung) Kollektorfläche ergaben einen jährlichen Solaranteil von 71%. Die beste Leistung des Systems wurde mit SAT-Verbundvolumen unter 1 m3, Wärmespeichereinheiten von 200 L, einem 0,6 m3 Wassertank und mit Kollektorflächen von 12,8-22,4 m2 bei einer Kollektorneigung von 70° festgestellt.

Preiswerte Tank-in-Tank-Einheiten, die mit Standardkomponenten von Wasserspeichern gebaut werden, könnten in dem System eingesetzt werden. Laborversuche zeigten, dass ihre Wärmeübertragungseigenschaften für die Warmwasserversorgung und Raumheizung mit flüssigem SAT-Verbundstoff ausreichend waren, wobei während der Verfestigung eine diskontinuierliche Ableitung erforderlich wäre. Zum ersten Mal wurde ein Solarheizsystem demonstriert, das die stabile Unterkühlung von SAT-Verbundwerkstoffen nutzt. Diese Arbeit wird als Referenz für die Solarheizung in energieeffizienten Gebäuden mit einem Sonnenanteil von über 70% dienen. Weitere Studien sind erforderlich, um die optimale Anwendung des Wärmespeicherkonzepts für verschiedene Klimazonen unter Berücksichtigung verschiedener Kollektortypen, verbesserter Wärmespeicher und der Stabilisierung des Stromnetzes durch Strom-zu-Wärme-Umwandlung zu erhellen.
Sprache: Englisch (Herausgeber: Technische Universität von Dänemark, Abteilung Bauwesen, 2019 – ISBN: 9788778775078).

->Quellen: