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Neues Speichersystem auf Salzhydratbasis

05.12.2019

Solarwärme verlustfrei in den Winter zu "retten" ist nach wie vor eine der größten Herausforderung bei der Entwicklung von Speichersystemen. Das ACR-Institut AEE INTEC baute in einem EU-Projekt ein Solarspeichersystem auf Salzhydratbasis, das seit dem Sommer 2019 in einem Warschauer Waisenhaus eingesetzt wird. Eine messtechnische Begleitung wird zeigen, ob die verlustfreie Speicherung der sommerlichen Solarwärme unter realen Bedingungen funktioniert.

Solarthermie hat ein hohes Potenzial den Gesamtwärmebedarf von Gebäuden zu decken. Voraussetzung hierfür ist aber, dass neben der Nutzung von Solarwärme in den Sommermonaten, diese saisonal und verlustfrei für die Verwendung im Winter gespeichert werden kann. Neben der verlustarmen Speicherung ist außerdem eine hohe Energiedichte des Speichers von großer Bedeutung. Thermochemische Speicher­systeme, welche sich durch hohe Speicherdichten bei gleichzeitig verlust­freier Langzeitspeicherung auszeichnen, besitzen dementsprechend ein großes Potential für eine effiziente saisonale Speicherung von solarer Wärme. Im Rahmen des EU-finanzierten Projektes CREATE wurde unter diesem Hintergrund beim ACR-Institut AEE INTEC ein saisonales thermochemisches Solarspeichersystem auf Salzhydratbasis entwickelt und gebaut.

Speicherprinzip

Die Beladung des Sorptionsspeichers findet im Sommer mit Solarwärme statt. Die zugeführte Wärme, die mit solarthermischen Flachkollektoren erzeugt wird, entzieht dem Speichermaterial Wasserdampf, der nach Kondensation mit Hilfe einer Niedertemperaturquelle (z. B. Erdwärme) in ein Wasserreservoir geleitet wird. Das trockene Sorptionsmaterial und das flüssige Wasser werden anschließend getrennt gelagert. Im Winter wird bei Bedarf in umgekehrter Reihenfolge Wasser mit Hilfe einer Niedertemperaturquelle verdampft und vom Speichermaterial absorbiert. Hierbei wird Wärme frei, die für Raumwärme oder zur Warmwassererzeugung genutzt werden kann.

Prototyp Sorptionsspeichersystem

Das entwickelte geschlossene Speichersystem mit einem Arbeitsdruckbereich bei rund 10mbar zeichnet sich durch ein modulares, auf Kompaktheit optimiertes Design aus. Durch die Entwicklung eines prismatischen Modulansatzes kann im Vergleich zu bisher üblichen zylindrischen Speichersystemen das verfügbare Volumen in einem Gebäude bis zu 21 % effektiver genutzt werden. Das Speichermodul selbst beinhaltet einen Lamellenwärmetauscher als Festbettreaktor für den Transport der Wärme vom Speichermaterial zum Wärmeversorgungssystem bzw. umgekehrt. Darüber hinaus wird der Lamellenwärmetauscher als konstruktives Element eingesetzt, um die auf das prismatische Modul einwirkenden Vakuumkräfte aufzunehmen, bei gleichzeitiger Minimierung der Materialmengen und -kosten. Neben dem Speichermodul wurde zudem ein simpler, kostengünstiger Verdampfer/Kondensator als Teil des Speichersystems konzipiert und gebaut. Zur Feststellung des optimalen Speichermaterials wurden von einem Projektpartner (Technische Universität Eindhoven) eine Reihe unterschiedlicher Salzhydrate getestet. Dabei stellte sich unter Berücksichtigung des notwendigen Temperaturniveaus, der ökologischen Unbedenklichkeit sowie aus ökonomischer Sicht Kaliumcarbonat (K2CO3) als am besten geeignet heraus.

Experimentelle Untersuchung des Saisonspeichers

Aufbauend auf den Entwicklungsergebnissen wurde im Laufe des Jahres 2018 ein erster Prototyp mit 197 Litern Speichermaterial (siehe Bild) aufgebaut. Das Modul bzw. das gesamte Speichersystem wurden im weiteren Verlauf im Labor in einem Teststand integriert und mit über 230 Messpunkten ausgestattet. Bis Ende 2018 wurden mit dem 197-Liter-Prototypenmodul insgesamt 40 Zyklen unter verschiedenen Betriebsbedingungen, die dem zukünftigen Anwendungsfall entsprechen, durchgeführt. Aus den erfolgreich abgeschlossenen Experimenten konnten Rückschlüsse auf Energieinhalt, Speicherdichte, Leistung (Peak und Durchschnitt), Zyklenfestigkeit, Betriebsverhalten und dergleichen gezogen werden. Die auf Modulebene erreichte Speicherdichte beträgt nach Abschluss der Experimente für den 197-Liter-Prototypen 128 kWh/m3.

Nach dem erfolgreichen Abschluss der Prototypen-Experimente wurde ein Speichersystem mit drei Speichermodulen und einer Speicherkapazität von insgesamt 1 200 Litern Kaliumcarbonat als Speichermaterial umgesetzt. Das Gesamtsystem (inkl. Pufferspeicher, Wärmepumpe und Regelung) wurde in einem Container aufgebaut und nach detaillierten experimentellen Untersuchungen im Juli 2019 zum finalen Einsatzort in einem Waisenhaus in Warschau transportiert. Nach abgeschlossener Implementierung in das Wärmeversorgungsystem des Hauses wird das Speichersystem ab August 2019 Wärme zur Raumheizung und Warmwasserbereitung bereitstellen können. Eine durchgehend stattfindende messtechnische Begleitung erlaubt eine Bewertung des Speichersystem in der realen Umgebung.

Quelle: ACR-Newsletter

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