Mobiler Latentwäremspeicher im Praxistest

Ein Artikel von Samir Binder, Stephan Orzol

1. Hintergrund

Mobiler Wärmespeicher
Schematische Darstellung eines mobilen Wärmespeichers

Die Nutzung von Abwärme - sei es bei der Stromerzeugung in Biogasanlagen und Kraftwerken oder auch bei Industrieprozessen - kann einen wichtigen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz sowie zur Reduzierung des Primärenergieverbrauchs leisten.
Gerade landwirtschaftliche Biogasanlagen mit elektrischen Erzeugungsleistungen im dreistelligen Kilowattbereich, weisen oftmals kein ganzjähriges Wärmenutzungskonzept auf. Während im Winter die Wärme noch bei der Haus- und Stallbeheizung zum Einsatz kommen kann, fehlt im Sommer ein entsprechender Abnehmer. So bleibt in diesen Zeiten die überschüssige Energie ungenutzt. Seit der Novellierung des Erneuerbaren Energien Gesetzes zum 1. Januar 2012 [1] wird dies umso bedeutender, da Neuanlagen mindestens eine 60 prozentige Wärmenutzung unter Einbeziehung des Eigenwärmebedarfs nachweisen müssen, um eine Vergütung nach dem EEG zu erhalten. Ausgenommen sind lediglich kleinere Anlagen, welche überwiegend Gülle einsetzen.

Somit rücken jene Anwendungen, die auch in den Sommermonaten einen Wärmebedarf aufweisen, wie beispielsweise die Beheizung eines öffentlichen Freibades oder die Bereitstellung industrieller Prozesswärme, immer weiter in den Fokus ganzheitlicher Nutzungskonzepte. Meist scheitern solche Ideen jedoch an der zu überbrückenden Distanz zwischen Energiequelle und Abnehmer, da die Biogasanlagen überwiegend direkt an den Höfen der Landwirte angeschlossen sind und passende Verbraucher meist etliche Kilometer vom Anlagenstandort entfernt angesiedelt sind.

Wärmequellen können nicht nur die bereits erwähnten Biogasanlagen, sondern auch Biomasseheizkraftwerke oder Erzeuger industrieller Abwärme bei zeitlich diskontinuierlichen Prozessen wie zum Beispiel bei Schmelzvorgängen sein. Auf der Abnehmerseite bieten sich vor allem öffentliche Bäder und Gebäude aber auch Trocknungsprozesse an.
Selbst bei kontinuierlicher Verfügbarkeit von Wärmeerzeuger und Wärmeabnehmer rechnet sich die Errichtung eines Nahwärmenetzes nur, wenn der größte Anteil an thermischer Energie nicht auf dem Weg zum Abnehmer verloren geht und nur ein Bruchteil der eigentlich zur Verfügung stehenden Wärme beim Endverbrauer ankommt [2].

Die Kosten für den Aufbau und den Betrieb eines Fernwärmenetzes stehen dann in einem ungünstigen Verhältnis zum Nutzen. In dieser Situation kann ein Distributionssystem mit transportierbaren Speichereinheiten auf Basis von Phasenwechselmaterialien für thermische Energie sinnvoll sein. Gelingt es darüber hinaus den Einsatz solcher Speicher zu standardisieren und dadurch Investitions- und Betriebskosten niedrig zu halten, so bieten sich für mobile Wärmespeicher eine Vielzahl von Nutzungsmöglichkeiten

2. Technische Ansätze

Latentwärmespeicher
Übersicht von thermischen Energiespeichern (Hervorgehoben sind Speicherarten, die relevant für den mobilen Wärmetransport sind)

Für den Transport thermischer Energie ist eine hohe Speicherkapazität entscheidend. Aus diesem Grund werden als Speicher für mobile Einheiten vor allem Phasenwechselmaterialen und reversible thermochemische Speichermaterialen (siehe Abbildung 2) diskutiert. Wärmespeicher auf dieser Basis verfügen über höhere Energiespeicherdichten als sensible Wärmespeicher, die hauptsächlich Wasser als Speichermaterial nutzen. Doch eine hohe Speicherdichte ist nicht der einzige Parameter, nachdem geeignete Materialien kategorisiert und letztlich eingesetzt werden. Ebenso spielen wirtschaftliche Fragestellungen wie Preis und Marktverfügbarkeit, aber auch Sicherheitsaspekte wie die Entflammbarkeit eine große Rolle.

Die Wahl fällt daher oft auf Latentwärmespeicher auf der Basis von Salzhydraten, wie beispielsweise dem weitgehend unkompliziert zu handhabenden Natrium-Acetat-Trihydrat, welches die bei der Kristallisation freiwerdende Schmelzenthalpie nutzt und so über einen definierten Zeitraum eine gleichbleibende Temperatur von etwa 58 °C garantiert.

Alternativ dazu bieten sich Adsorbentien wie Zeolithe an, die sich bei der Aufnahme von Wasserdampf stark erhitzen (Adsorptionswärme) und diese Wärme an einen Luftstrom abgeben. Zum Laden des Speichers müssen diese Materialien durch Desorption unter Wärmezufuhr wieder von Wasser befreit werden. Jedoch scheitern Speichersysteme auf Zeolithbasis in der Praxis oft an der wirtschaftlichen Realisierbarkeit.  
Generell entscheidend für die mobile Wärmespeicherung sind schnelle Lade- und Entladezeiten für die Speichermedien sowie eine geringe Alterung des Speichermaterials. Nur durch die Realisierung dieser Anforderungen ist ein wirtschaftlicher Betrieb darstellbar.

Die Technologie der Latentwärme- oder Phasenwechselmaterialien (engl.: Phase Change Materials, PCM) zur mobilen Wärmespeicherung befindet sich näher an der technischen Anwendungsreife als die der Sorptionsspeicher. Erste Pilotanlagen wurden bereits realisiert [3]. Ursprünglich wurden solche Systeme für den direkten Kontakt eines Wärmeträgermediums, z. B. Thermalöl, mit dem Phasenwechselmaterial konzipiert. Zur Ladung wurde beispielsweise heißes Thermalöl in einen Container mit festem Natriumacetat gepumpt.

Da die meiste Abwärme bei bestehenden Prozessen oder Anlagen über einen Wasserkreislauf ausgekoppelt wird, sind zusätzliche Wärmeübertrager (Wasser / Thermalöl) erforderlich. Ansonsten würde sich das Salzhydrat  im Wasser lösen. Dieser zusätzliche Thermalölkreislauf erhöht den Investitionsanteil erheblich. Auch die dadurch verursachte verlängerte Dauer der Lade- und Entladezyklen dieser Speicher wirkt sich stark nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit der Systeme aus. Die gewonnenen Praxisergebnisse zeigten, dass bei Neuentwicklungen erhebliche Optimierungsmöglichkeiten berücksichtigt werden müssen, um einen stabilen und wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen.

3. Aufbau des Speichers

Latentwärmespeicher
Aufbau des Pilotspeichers mit zwei Kammern. Teilspeicher 1 enthält einen Rohrwärmetauscher, Teilspeicher 2 wurde zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit Graphitstrukturen erweitert.

Ausgehend von verfügbaren Systemen galten die nachfolgenden Untersuchungen der Optimierung des Wärmeübergangs, so dass ein wirtschaftlicher Dauerbetrieb durchgehend möglich ist. Zum einen wurde ein Latentwärmespeicher im Pilotmaßstab mit einem Latentwärmeanteil von ca. 1,3 MWh nach dem derzeit verfügbaren Stand der Entwicklung erprobt.

Der mobile Pilotspeicher besteht aus einem isolierten 20-Fuß-Container, in dem sich zwei Teilspeicher befinden, welche wiederum mit zwei verschiedenen - im Innern liegenden Wärmeübertragern ausgestattet sind (siehe Abbildung 3). Bei einem der beiden  Wärmetauscher handelt es sich um einen einfachen Rohrwärmeübertrager, während der zweite ein Rohrwärmeübertrager mit zusätzliche eingefügte Graphit-Strukturen ist, der einen verbesserten Wärmeeintrag erzielen soll. Als Speichermedium wird Natrium-Acetat-Trihydrat verwendet, welches einen Schmelzbereich um etwa 58 °C besitzt. Für die Gewährleistung der Kristallisation bei unterschreiten der Schmelzpunkttemperatur wurden chemische Keimbildner eingesetzt.

4. Ergebnis

Am Fraunhofer UMSICHT Intstitutsteil in Sulzbach-Rosenberg wird ein mobiler Wärmespeicher zur erweiterten Kraft-Wärme-Kopplung in einem sechsmonatigen Praxistest erprobt.
Durch Variation der Parameter Durchfluss, primärseitige Leistungsaufgabe, Vorlauftemperatur und Material sowie Geometrie des Wärmeübertragersystems konnten optimierte Ladezeiten für den Latentwärmespeicher ermittelt werden.

Ein mobiler Latentwärmespeicher-Prototyp im Real-Maßstab (1,5 MWh, 20-Fuß-Container) wurde mit zwei Teilspeichern unterschiedlicher Wärme-übertragersystem ausgestattet. Im ersten Teilspeicher wurde ein einfacher Rohrwärmeübertrager installiert, während im zweiten Teilspeicher der Rohrwärmeübertrager durch Graphitstrukturen erweitert wurde, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern bzw. die Wärmeleitung zu verbessern.

Eine Gleichverteilung des Gesamtvolumenstroms auf die beiden Teilspeicher wird sichergestellt, indem der Durchfluss jedes Edelstahlwellschlauchs separat regelbar ist. Versuchsreihen mit verschiedenen Feuerungen in unterschiedlichen Leistungsklassen führten zu einer Parameterkonfiguration mit einer um etwa 30 % verkürzten Beladezeit. Dies kann einen möglichen wirtschaftlichen Dauerbetrieb gewährleisten.

Die Erkenntnisse dieser Versuche ermöglichen  die Formulierung von Empfehlungen an die zukünftigen Wärmelieferanten, so dass die Wärmebereitstellung effizient gestaltet werden kann. Ebenso können auf Basis dieser Ergebnisse Empfehlungen für die Konstruktion zukünftiger PCM-Speicher abgeleitet werden, um dort die Speichereffizienz nachhaltig zu steigern. Aufbauend auf diesen Grundlagen ist es zukünftig möglich, vor allem dort, wo Wärme sonst ungenutzt bliebe, mobile Latentwärmespeicher flächendeckend einzusetzen.

5. Literatur

[1] Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) 2012, "Gesetz zur Neuregelung des Rechtsrahmens für die Förderung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien", 04.08.2011, Bundesgesetzblatt Teil I, Nr. 42, S. 1634.

[2] Oertel, D.: Energiespeicher - Stand und Perspektiven, Sachstandsbericht zum Monitoring "Nachhaltige Energie-versorgung", Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim deutschen Bundestag, Berlin, 2008, S. 53.

[3] Seemann, D.: Wärme to go. In: Erneuerbare Energien, 21. Jg, 2011, Heft 11, S. 92-95.

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