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FESTSTOFFSORPTION – Stand der Entwicklungen bei AEE INTEC

Im Rahmen des EU-finanzierten Projektes COMTES entwickelt AEE INTEC in Zusammenarbeit mit ITW Stuttgart, der Technischen Fachhochschule Wildau und Vaillant GmbH ein saisonales thermochemisches Solarspeichersystem auf der Basis der Feststoffsorption. Erste Experimente mit einem Speicherprototyp wurden erfolgreich durchgeführt. Aufbauend auf den erlangten Erkenntnissen wurde ein Komplettsystem im Labor von AEE INTEC aufgebaut und wird unter realen Bedingungen über einen Zeitraum von einem Jahr getestet.

Von Wim van Helden, Waldemar Wagner, Verena Schubert, Dagmar Jähnig

Solarthermie hat in den meisten Regionen der Welt das Potenzial 100% des Raumwärme- und Warmwasserbedarfs für Gebäude zu decken. Voraussetzung hierfür ist, dass neben der direkten solaren Nutzung die Solarwärme verlustarm saisonal (vom Sommer bis zum Winter) gespeichert werden kann. Außerdem ist insbesondere in dezentralen Versorgungsstrukturen eine hohe Energiedichte des Speichers von großer Bedeutung. Adsorptionswärmespeicher mit ihrer hohen Speicherdichte und der verlustfreien Langzeitspeicherung besitzen großes Potential für eine effiziente saisonale Solarspeicherung.

Abbildung 1: Ansicht auf den offenen Sorptionsspeicher von oben. Quelle aller Bilder: AEE INTEC 

Sorptionsspeicherprinzip

Das Funktionsprinzip eines geschlossenen Adsorptionswärmespeichers ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Beladung des Sorptionsspeichers findet im Sommer mit Solarwärme statt. Mit der zugeführten Hochtemperatur(HT)-Wärme wird Wasserdampf vom Speichermaterial (z.B. Zeolith) desorbiert und nach Kondensation mit Hilfe einer Niedertemperatur(NT)-Senke (z.B. Erdwärme) in ein Wasserreservoir geleitet. Das trockene Sorptionsmaterial (z.B. Zeolith) und das flüssige Wasser werden getrennt gelagert und bei Bedarf kann Hochtemperatur-Wärme erzeugt werden, indem das Wasser mit Hilfe einer Niedertemperatur-Quelle (z.B. Erdwärme) verdampft und im Sorptionsspeicher adsorbiert wird. Hierbei wird Hochtemperatur-Wärme frei, die für Raumwärme oder Warmwassererzeugung genutzt werden kann.

Abbildung 2: Arbeitsprinzip einer Adsorptionswärmespeicherung (geschlossener Kreislauf)

Speichermaterial

Eine Reihe verschiedener Speichermaterialien wurde von dem Projektpartner an der Technischen Fachhochschule Wildau getestet. Für die saisonale Solarwärmespeicherung hat sich Zeolith als geeignet herausgestellt. Eine neue Klasse von Zeolith, der ohne passive Bindemittel hergestellt wird, wurde mit herkömmlichen Zeolith verglichen. Das Zeolith 13XBF (binderfrei) wurde aufgrund der etwas höheren Wasseraufnahme, einer höheren Adsorptionsenthalpie und der dadurch höheren Speicherenergiedichte ausgewählt. Das Material wird in Form kleiner kugelförmiger Partikel oder Perlen verwendet (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Zeolith Perlen

Abbildung 4 zeigt die Isothermen des Materials 13XBF für Wasser (Adsorption und Desorption) bei drei unterschiedlichen Temperaturen. Die Isothermen des Materials wurden durch thermogravimetrische und kalorimetrische Untersuchungen an der Technischen Fachhochschule Wildau gemessen. Außerdem wurde mit Hilfe von zyklischen Tests die Langzeitstabilität des Materials geprüft.

Abbildung 4: Isothermen für Zeolith 13XBF und Wasser bei drei Gleichgewichtstemperaturen (Desorption [des.]: gefüllte Symbole; Adsorption [ads.]: hohle Symbole)

Simulation des Solarwärmespeichers

Das Speichersystem wurde in dem Simulationsprogramm TRNSYS numerisch modelliert. Ziel der Simulation ist es, die Leistungsfähigkeit der Anlage bei unterschiedlichen Bedingungen und Konfigurationen zu berechnen und somit das System zu optimieren. Als Verbraucher wurde ein Einfamilienhaus mit einem Heizenergiebedarf von 30 kWh/(m²·a) und einem Warmwasserbedarf von 200 Liter pro Tag bei einer Vorlauftemperatur von 45°C gewählt.

In der Simulation wurden die Kollektorfläche, die Art der Niedertemperatur-Quelle, sowie die Menge und der Typ des Sorptionsmaterials variiert. Das Speichermaterial Zeolith 13XBF (binderfrei) und die Niedertemperatur-Quelle Erdwärme stellten sich in diesen Untersuchungen als sehr geeignet heraus.

Die Ergebnisse der Parametervariationen der Sorptionsmaterial-Menge (7,5 t und 5 t Zeolith 13XBF), der Kollektorfläche (Variation von 20-60m2) eines Vakuumröhrenkollektors (ETC) und eines Vakuumflachkollektors (VacFPC) sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Ergebnisse der Systemsimulation eines Einfamilienhauses

Eine Jahressimulation (siehe Abbildung 5) ergab, dass ein solarer Deckungsgrad (fsav,therm) von 90 % mit 40 m2 Kollektorfläche erreicht werden kann. Mit einem Vakuumröhrenkollektor benötigt man hierfür 7,5 t Speichermaterial und mit einem Vakuumflachkollektor sind bereits 5 t ausreichend.

Prototyp Sorptionsspeicher

Ein Sorptionsspeicher-Prototyp wurde im Technikum von AEE INTEC aufgebaut und getestet. Das Hauptelement des Prototyps ist der Sorptionsspeicher, der mit 164 kg Zeolith 13XBF gefüllt ist und einen Festbettwärmeübertrager enthält. Außerdem befindet sich zentral im Zeolithspeicher ein Wasserdampfkanal, um eine radiale Durchströmung des Sorptionsmaterials zu ermöglichen, den Druckverlust im Festbett dadurch zu reduzieren und somit die Wärmeleistung zu erhöhen. Abbildung 1 zeigt ein Foto des Prototyps.

Das Wasserreservoir ist über ein Ventil mit dem Sorptionsspeicher verbunden, wobei in einem dazwischenliegenden Wärmeübertrager das Wasser mit Hilfe der Niedertemperatur-Wärme verdampft bzw. kondensiert wird. (siehe auch Abbildung 7, vereinfachte Hydraulik der Demonstrationsanlage). Die Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Wärme wird mit Hilfe von Thermostaten und Speichern bereitgestellt.

In Abbildung 6 links ist ein Schnitt der Speicherhälfte mit den Positionen von 12 Temperatursensoren, die gleichmäßig im Sorptionsbett verteilt wurden, dargestellt. Während der Adsorption strömt der Wasserdampf zentral von oben ein, verteilt sich über den zentralen Dampfkanal über die gesamte Höhe und reagiert mit dem Zeolith (gelbe Pfeile). Die Reaktionsfront verläuft dabei radial von innen nach außen. Der Temperaturverlauf ist im Diagramm in Abbildung 6 rechts dargestellt. Im dargestellten Zeitbereich von 140 min steigt die Temperatur von ca. 45°C auf bis zu 120°C, was einem Temperaturhub von 75 °C entspricht.

Abbildung 6: Ausbildung der Temperaturfront bei der Adsorption. O: Oben; OM: Oben Mitte; UM: Unten Mitte; U: Unten; I: Innen (1); M: Mitte (2); A: Außen (3); angegebene Abmessungen im Adsorptionsbett in mm

Abbildung 7: Vereinfachte Hydraulik der Demonstrationsanlage

Die Versuche mit dem Prototyp dienen einerseits der Validierung der Simulationsergebnisse und tragen andererseits gemeinsam mit der Simulation wesentlich zur Optimierung bezüglich der Konstruktion des Sorptionsspeichers und des Festbettwärmeübertragers, des Verdampfers/Kondensators, der Größe des Dampfkanals und weiterer Komponenten bei. Die Erkenntnisse der Optimierungen wurden in der Demonstrationsanlage angewandt.

Demonstrationsanlage

Ein Komplettsystem mit Vakuumflachkollektoren, drei 1-m3-Sorptionsspeichermodulen und einem Wärmeabgabesystem, welches den Warmwasserverbrauch und die Raumheizung eines Einfamilienhauses simuliert, wurde im Technikum von AEE INTEC aufgebaut (siehe Abbildung 7). Das Komplettsystem wird über einen gesamten Jahreszyklus getestet und soll zur Optimierung des Systems und seiner Komponenten, einschließlich der Regelung des Systems, dienen.

Zusammenfassung

Das Prinzip des solarthermischen Speichersystems basiert auf der Wasserdampfadsorption an Zeolith in einem geschlossenen Kreislauf. Ein Prototyp mit 164 kg des bindemittelfreien Zeolith 13XBF wurde aufgebaut, um unter anderem die Temperaturverteilung im Speicher, Drücke und die thermische Speicherdichte zu ermitteln. Die Erkenntnisse wurden in der Demonstrationsanlage mit drei 1-m3-Sorptionsspeichern umgesetzt und werden unter realen Bedingungen im Jahresverlauf getestet.

Danksagung

Die beschriebene Arbeit wurde im Rahmen des COMTES-Projektes durchgeführt, das von der Europäischen Union finanziert wird. Dieser Artikel stellt die Meinung der Autoren dar. Die Europäische Union übernimmt keine Haftung für dessen Inhalt und die Verwendung der hierin enthaltenen Informationen.

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AutorInnenbeschreibung

Dr. Wim van Helden ist Mitarbeiter des Bereiches Solarthermische Komponenten und Systeme und Leiter der Forschungsarbeiten zum Thema kompakte Energiespeichertechnologien bei AEE INTEC ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. )

Ing. Waldemar Wagner ist Leiter des Bereiches Messtechnik bei AEE INTEC

DI Verena Schubert ist Dissertantin bei AEE INTEC

DI Dagmar Jähnig MSc. ist wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Kassel und freie Mitarbeiterin bei AEE INTEC

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