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Entwicklung eines Sorptionswärmespeichers auf Basis von Flüssigsorption

Thermische Speicher basierend auf dem Sorptionsprinzip haben das Potenzial zu einer hohen volumetrischen Speicherkapazität. Sie leiden nicht unter stetigem Wärmeverlust und haben eine deutlich höhere Formfreiheit als herkömmliche Wasserspeicher. Somit besteht die Möglichkeit einen saisonalen thermischen Speicher mit bis zu 100 % solarem Deckungsgrad für Gebäudewärme und Brauchwarmwasser zu entwickeln.

Von Benjamin Fumey und Robert Weber

Abbildung 1: Funktionsmuster eines Sorptionswärmespeichers - eingebaut in einen Hochseecontainer. Quelle aller Bilder: EMPA

Saisonale Wärmespeicherung auf Basis eines flüssigen Sorptionsmittels

In der Sorptionswärmespeicherung wird Energie im Sorptionsmedium durch die Trennung von Sorbent (absorbierendes Material) und Sorbat (aufgenommener Stoff bei einer Sorption) gespeichert [1, 2]. Dabei wird die Energie nicht als sensible Wärme gespeichert, sondern als ein Potential, mit welchem Wärme zurückgewonnen wird. Der an der Empa unter Entwicklung stehende Sorptionswärmespeicher funktioniert ähnlich einer Absorptionswärmepumpe, mit einem zusätzlichen Speicher für das flüssige Sorptionsmedium [3]. Das an der Empa verwendete Sorptionsmedium ist Natronlauge, das Sorbat ist Wasser. Diese Art Speicher benötigt keine thermische Isolation und verliert auch keine Energie durch thermische Verluste während der Speicherdauer. Die Verluste entstehen lediglich beim Lade- und Entladevorgang. Somit zeigt dieses Verfahren ein hohes Potential für saisonale Wärmespeicherung. Anhand der Abbildungen 2 – 4 soll das Funktionsprinzip erklärt werden. Im Ladeprozess (Wärmespeicherprozess) wird das Sorptionsmedium erwärmt, wobei sich das Sorbat vom Sorbent durch Verdampfung trennt. Das abgetrennte Sorbat wird separat kondensiert und die Kondensationswärme der Umgebung abgegeben.

Sorbent und Sorbat werden in flüssigem Zustand in separaten Behälter gespeichert. Solange ein Vermischen der zwei Substanzen verhindert wird, entstehen keine Verluste während der Speicherdauer.

Im Entladeprozess (Wärmeabgabeprozess) wird Sorbat mittels einer Niedertemperaturquelle, wie sie zum Beispiel eine Erdsonde darstellt, verdampft. Der Sorbatdampf wird wiederum vom Sorbent absorbiert und die Verdampfungsentalpie wird freigegeben. Durch die hohe Affinität vom Sorbent zum Sorbat wird Wärme akkumuliert, was die Temperatur ansteigen lässt. Dies wiederum ist die typische Funktionsweise einer chemisch angetriebenen Wärmepumpe (Sorptionswärmepumpe). Der Speicher wird somit im Sommer thermisch geladen und kann im Winter mit geringem Elektrizitätsverbrauch entladen werden.

Die reversible chemische Reaktion von Natronlauge und Wasser kann folgendermaßen dargestellt werden:

NaOH x (m+n)H₂O + heat <-> NaOH x mH₂O + nH₂O

Abbildung 2: Illustration des Ladevorgangs. Durch solare Wärme wird Wasser (Sorbat) aus der wässrigen Natronlauge (Sorbent) verdampft. Der Wasserdampf wird wiederum kondensiert und die Wärme dem Erdreich mittels Erdsonde abgegeben.

Abbildung 3: Illustration des Speichersystems im geladenen Zustand. Das Vermischen von konzentrierter Natronlauge und Wasser wird verhindert.

Abbildung 4: Illustration des Entladevorgangs. Mittels Erdsondenwärme wird Wasser bei tiefer Temperatur verdampft. Dieser Wasserdampf wird von der Natronlauge absorbiert wobei die Verdampfungsenthalpie freigegeben wird. Diese Wärme kann für Gebäudewärme oder zur Aufbereitung von Warmwasser verwendet werden.

Speicherleistung

Um die Speicherleistung zu charakterisieren sind zwei Hauptparameter von Interesse: Die Speicherentladetemperatur und die Speicherkapazität. Da der Sorptionsspeicher als Wärmepumpe funktioniert, sind diese Parameter an gewisse Bedingungen gekoppelt, z.B. die Laugenkonzentration im geladenen Zustand, die Temperatur der Erdsonde und die Temperatur des aufzuheizenden Heizwassers (z.B. Heizungsrücklauf). Diese Bedingungen können aber nicht frei gewählt werden, sondern sie sind an physikalische Grenzen gebunden. Die Entladetemperatur wird bestimmt durch die Konzentration der Natronlauge und die Erdsondentemperatur. Mit dem Wasser aus der Erdsonde wird das beim Ladeprozess kondensierte Wasser bei der Temperatur TE_outverdampft. Aus dem Diagramm in Abbildung 5 ist ersichtlich, dass die zu erwartende Entladetemperatur von der Höhe der Verdampfungstemperatur TEout abhängig ist. So ist z.B. bei einer Verdampfungstemperatur von 10 °C und einer Laugenkonzentration von 50 % mit einer Entladetemperatur von 48 °C zu rechnen.

Abbildung 5: Diagramm der Entladetemperatur bezogen auf die Verdampfungstemperatur und die Laugenkonzentration. Steigt die Verdampfungstemperatur TE_out, so steigt auch die Entladetemperatur.

Da die Natronlauge bei Konzentrationen oberhalb von 50 % stark zur Kristallisation neigt [4], werden höhere Konzentrationen vermieden. Die Speicherkapazität ist direkt abhängig von der Natronlaugenkonzentration im geladenen Zustand, der Verdampfungstemperatur TE_out und der Entladetemperatur (z.B. Heizungsrücklauf). Grundsätzlich steigt die Energiedichte, je stärker die Lauge beim Entladeprozess verdünnt werden kann. Der Verdünnungsgrad wiederum ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur TE_outund der Entladetemperatur. Liegt diese Temperaturdifferenz bei 7 °C so kann die Lauge bis auf 25 % Konzentration verdünnt werden. Bei ansteigender Temperaturdifferenz sinkt allerdings der Verdünnungsgrad und somit auch die Speicherkapazität. Bei der Verdünnung auf 25 % wird eine theoretische Energiedichte, bezogen auf das Volumen der verdünnten Lauge, von 440 Wh/l erreicht (siehe Abbildung 6). Das ist erheblich höher als bei einem sensiblen Warmwasserspeicher. Es muss aber berücksichtigt werden, dass diese Angaben sich rein auf das Speichermedium beziehen und kein Volumen, das durch Systemkomponenten benötigt wird, beinhaltet. Auch muss der Verlust durch die Umwandlung berücksichtigt werden. Somit wird ein Sorptionssystem eine geringere Energiedichte aufweisen als 440 Wh/l, sie wird aber weiterhin höher sein als die Kapazität eines Warmwasserspeichers, die bei einem ΔT von 65 °C etwa 76 Wh/l beträgt. Nicht zu vernachlässigen ist auch der markante Vorteil des verlustlosen Speicherns.

Abbildung 6: Diagramm der Energiedichte bezogen auf die Laugenkonzentration. Bei sinkender Laugenkonzentration im entladenen Zustand steigt die Energiedichte.

Prototypenbau

Der gebaute Speicherprototyp besteht aus zwei Hauptkomponenten, der Reaktionszone und den Speichertanks. Zahnradpumpen werden verwendet um den Medientransport zwischen Reaktionszone und Tanks zu ermöglichen. Die thermische Leistung des Speichers ist somit von der Größe der Reaktionsfläche bestimmt. Die Speicherkapazität hingegen ist durch das Volumen des Speichermediums definiert.

Ein hohes Maß an Dichtigkeit zur Umgebung ist erforderlich. Das System funktioniert unter Wasserdampfatmosphäre, somit müssen alle Fremdgase wie Stickstoff, Sauerstoff und besonders Kohlendioxid entfernt werden.

Die Reaktionszone besteht aus zwei aneinandergebauten Behältern. Behälter 1 (in Abbildung 8 links) dient als Absorber und Desorber. Behälter 2 (in Abbildung 8 rechts) dient als Kondensator und Verdampfer. Beide Reaktionseinheiten beinhalten einen Massen-/Wärmetauscher. Diese sind als Rohrbündel aufgebaut, wobei das wärmetragende Medium durch die Rohre gepumpt wird und das Sorptionsmedium als Fallfilm über die Rohre geführt wird. Behälter 1 ist immer in Kontakt mit dem Sorbent und Behälter 2 kondensiert oder verdampft das Sorbat. Der Massen-/Wärmetauscher in Behälter 2 ist deutlich grösser aufgebaut um eine ausreichende Verdampfungsleistung bei tiefen Erdsondentemperaturen zu ermöglichen.

Der Prototyp wird als Hybridsystem aufgebaut. Damit können die Vorteile der sensiblen Wärmespeicherung und diejenigen der Sorptionsspeicherung optimal genutzt werden. Für die Tagesspeicherung werden Warmwasserspeicher verwendet. Diese sind vorteilhaft durch ihren einfachen Aufbau und ihre tiefen Lade- und Entladeverluste. Jedoch würden hohe Verluste bei langer Speicherdauer entstehen. Somit wird zu diesem Zweck das Sorptionsspeichersystem eingesetzt. Abbildung 7 zeigt den Systemaufbau; auf der linken Seite ist der Sorptionsspeicher und auf der rechten Seite der sensible Speicher aufgebaut. In der Praxis werden immer zuerst die sensiblen Speicher geladen und erst danach der Sorptionsspeicher. Der Prototyp ist in einen Container eingebaut, bei dem Solarkollektoren auf dem Containerdach montiert sind.

Das gesamte System ist bereits aufgebaut und wird nun in Betrieb genommen. Dabei entstehen gerade durch den Hybridaufbau neue Herausforderungen an die Systemsteuerung. Fragen bezüglich des optimalen Verhältnisses zwischen der sensiblen Speicherkapazität und der Sorptionsspeicherkapazität sind aber noch offen. Eine optimale Auslegung ist abhängig vom Klima, der solaren Einstrahlung, der Gebäudelast und vom Anwenderverhalten. Dazu werden nun parallel zum Betrieb der Testanlage Simulationen durchgeführt. Die Sorptionswärmespeicherung hat das Potential, eine neue Dimension der Wärmespeicherung zu ermöglichen. In der aufgebauten Testanlage wird dieses Potential getestet.

Abbildung 7: Rechts: CAD-Bild vom gebauten hybriden Prototyp, oben: Bild vom gebauten hybriden Prototyp

Abbildung 8: CAD-Bild von der gebauten Reaktionszone. Die Reaktionszone wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Solartechnik SPF der Fachhochschule Rapperswil entwickelt und gebaut.

Personenbeschreibung Autoren

Benjamin Fumey und Robert Weber sind wissenschaftliche Mitarbeiter bei EMPA, Material Science and Technology (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)

Literatur

1. Edem N’Tsoukpoe K. et al., A review on long-term sorption solar energy storage, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13 (2009) 2385–2396.
2. Hadorn J. C. et al., Thermal energy storage for solar and low energy buildings - State of the art, IEA SHC Task 32 ISBN: 84-8409-877-X, 200
3. Weber R., Dorer V., Long-term heat storage with NaOH. Vacuum 82 (2007), 708-716.
4. Liquid Caustic Soda – Solubility, PCH-1110-0007-W-EN, Solvay Chemicals International, Issue 1 October 2005.