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Sommerwärme für die Wintersaison

10.01.2017

Lässt sich thermische Solarenergie bis in den Winter speichern? Ein europäisches
Forschungsprojekt mit Beteiligung der Empa hat diese Frage vier Jahre lang unter-sucht. Dabei traten drei unterschiedliche Techniken gegeneinander an.

Von einer nachhaltigen Energieversorgung sind wir noch meilenweit entfernt: Im Jahr 2014 wurden 71 Prozent aller Schweizer Privatwohnungen mit fossilen Brennstoffen beheizt, auch 60 Prozent des privat verbrauchten Warmwassers wird auf diese Weise erzeugt.


Empa-Forscher Benjamin Fumey an seiner NaOH-Speicheranlage.

Empa

Eine beträchtliche Menge fossiler Energie liesse sich also einsparen, wenn wir Wärme aus sonnigen Sommertagen bis ins Winterhalbjahr speichern und dann wieder abrufen könnten. Kann so etwas gelingen? Es sieht ganz danach aus. Nach mehreren Jahren Forschung gibt es seit Herbst 2016 an der Empa eine Anlage im Labormassstab, die zuverlässig funktioniert und Wärme langfristig speichern kann. Doch der Weg dahin war lang.

Die Theorie hinter dieser Art Wärmespeicher ist recht einfach: Giesst man in ein Becherglas mit festem Natri-umhydroxid (NaOH) Wasser, dann wird die Mischung heiss. Die Verdünnungsreaktion ist also exotherm: Chemische Energie wird in Form von Wärme frei. Natronlauge ist ausserdem stark hygroskopisch und kann Wasserdampf einfangen. Die so gewonnene Kondensationsenergie heizt die Natronlauge weiter auf.

Sommerwärme im Speichertank

Auch der umgekehrte Weg ist möglich: Führt man verdünnter Natronlauge Energie in Form von Wärme zu, dann verdampft das Wasser, die Natronlauge wird konzentriert und speichert auf diese Weise die ihr zugeführte Energie. Konzentrierte Natronlauge lässt sich über Monate, gar Jahre aufbewahren oder in Tanks zu einem gewünschten Ort transportieren. Bringt man sie mit Wasser (-dampf) in Kontakt, wird die gespeicherte Wärme wieder frei.

So weit die Theorie. Aber lässt sich das Becherglas-Experiment in einer Grössenordnung wiederholen, die genügend Energie für ein Einfamilienhaus speichern kann? Die Empa-Forscher Robert Weber und Benjamin Fumey gingen an die Arbeit. Als Versuchs-labor diente ein isolierter Seefrachtcontainer auf dem Empa-Areal in Dübendorf – eine Sicherheitsmassnahme, denn konzentrierte Natronlauge ist stark ätzend. Würde die Anlage undicht, dann sollte die aggressive Flüssigkeit lieber durch einen Container schwappen, anstatt durchs Empa-Laborgebäude.

Leider funktonierte der sogenannte COMTES-Prototyp (siehe Infobox rechts) noch nicht wie erwartet. Die Forscher hatten auf einen so genannten Fallfilmverdampfer gesetzt – eine Anlage, wie sie etwa in der Lebensmittelindustrie verwendet wird, um Orangensaft zu Konzentrat einzudicken. Doch die zähflüssige Natronlauge umfloss den Wärmetauscher nicht richtig, sondern bildete dicke Tropfen. Die Natronlauge nahm zu wenig Wasserdampf auf, und die übertragene Wärmemenge blieb zu gering.

Fumey hatte dann die rettende Idee: Das zähflüssige Speichermedium müsste langsam und spiralförmig entlang eines Rohrs hinabfliessen, auf dem Weg Wasserdampf aufnehmen und die entstehende Hitze an das Rohr abgeben. Der umgekehrte Weg – das Aufladen des Mediums – sollte mit der gleichen Technik, nur andersherum funktionieren. Es klappte. Das Beste daran: Die spiralförmigen Wärmetauscher gibt es bereits ab Lager; es sind Wärmetauscher aus handelsüblichen Durchlauferhitzern.

An der Laboranlage optimierte Fumey dann die Einsatzgrenzen: Welche Konzentrationsschwankungen sind für den Wirkungsgrad optimal? Welche Temperaturen soll das zu- und das ablaufende Wasser ­haben? Fürs Entladen des Speichers ist Wasserdampf mit einer Temperatur von 5 bis 10 Grad nötig. Solcher Dampf liesse sich etwa mit Wärme aus einer Erdsonde erzeugen. Dabei läuft 50-prozentige Natronlauge aussen über das Wärmetauscher-Spiralrohr nach unten und wird in der Wasserdampf-atmosphäre auf 30 Prozent verdünnt. Dabei erhitzt sich das Heizungswasser im Inneren des Rohrs auf rund 50 Grad Celsius – es wäre also für eine Fussbodenheizung gut nutzbar.

«Aufgeladene» Natronlauge

Beim Wiederaufladen des Speichers sickert die 30-prozentige, «entladene» Natronlauge um das Spiralrohr herum nach unten. Im Inneren des Rohrs strömt 60 Grad heisses Wasser, welches zum Beispiel aus einem Solarkollektor stammen kann. Das Wasser aus der Natronlauge verdunstet; der Wasserdampf wird abgezogen und kondensiert. Die Natronlauge, die den Wärmetauscher nach dem Aufladen verlässt, ist wieder auf 50 Prozent aufkonzentriert, also mit Wärmeenergie «geladen».

«Auf diese Weise lässt sich Solarenergie in Form von chemischer Energie vom Sommer bis in den Winter speichern», sagt Empa-Forscher Fumey. «Und nicht nur das: die gespeicherte Wärme kann in Form konzentrierter Natronlauge auch an einen anderen Ort verfrachtet werden und ist dadurch flexibel einsetzbar.» Nun hat die Suche nach Industriepartnern begonnen, die aus dem Labormodell eine kompakte Hausanlage bauen helfen. Der nächste Prototyp des Natronlauge-Speichers könnte dann beispielsweise im NEST eingesetzt werden.

COMTES: Wärmespeichertechnik im internationalen Vergleich http://comtes-storage.eu/

Im Europäischen Forschungsprojekt COMTES traten von 2012 bis zum Frühjahr 2016 drei Demonstratoren von Wärmespeichern gegeneinander an:
Projektgruppe A (Österreich, Deutschland) untersuchte die Speicherung von Wasser in Zeolithen. Diese mikro-porösen Silikatminerale kommen zum Beispiel in Waschmitteln oder in selbstkühlenden Bierfässern vor. Sie sind hygroskopisch und geben Wärme ab, wenn sie feucht werden.
Projektgruppe B (Schweiz, Nordirland) untersuchte die Speicherung von Wärme in einer Versuchsanlage voll konzentrierter Natronlauge (siehe Hauptartikel oben)
Überblick über Schweizer Wärmeforschungsprojekte: http://www.sccer-hae.ch/
Projektgruppe C (Dänemark, Österreich) untersuchte die Speicherung von Wärme in Materialien, die schmelzen und erstarren («phase change materials»). Für die Versuche nutzten sie Natriumacetat, eine Substanz, die auch in den bei Jägern und Outdooraktivisten beliebten aufladbaren Wärmekissen vorkommt.

Weitere Informationen:

http://www.empa.ch/web/s604/naoh-heat-storage

Rainer Klose | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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