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Chemischer Wärmespeicher Die Sommerhitze für den Winter nutzbar machen

Quelle: Pressemitteilung

Die Hitze des Sommers oder die Abwärme aus Industrieanlagen ist eine Energiequelle, die noch nicht ausreichend verwertet wird, da sich die Wärme nur schwer für später speichern lässt. Hierfür haben Forscher der TU Wien nun einen neuen chemischen Wärmespeicher entwickelt, der Wärmeenergie über Monate hinweg lagerfähig macht und bei Bedarf wieder freigeben kann.

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Prof. Franz Winter von der TU Wien hat im Labor einen neuen chemischen Wärmespeicher entwickelt.
Prof. Franz Winter von der TU Wien hat im Labor einen neuen chemischen Wärmespeicher entwickelt.
(Bild: TU Wien)

Energie langfristig zu speichern ist eines der größten bisher ungelösten Probleme der Energiewende. Denn selbst, wenn genügend Windräder und Solarzellen installiert sind, muss die im Sommer produzierte Überschussenergie für den bedarf im Winter gespeichert werden. Grundsätzlich gibt es viele Methoden, Energie zu speichern, doch alle haben ihre Nachteile: Man kann Batterien aufladen, doch ihre Kapazität ist begrenzt. Man kann mit elektrischem Strom Wasserstoff herstellen, doch er kann nur schwer langfristig gelagert werden.

Eine weitere Möglichkeit ist, Energie in Form von chemischer Energie zu speichern. Dazu hat ein Team der TU Wien einen neuen chemischen Wärmespeicher entwickelt, der große Energiemengen auf umweltfreundliche Weise für lange Zeit speichern kann. Bei Bedarf lässt sich die chemische Reaktion umkehren und die Energie wird wieder freigesetzt. So kann man etwa Abwärme von Industrieanlagen oder auch Sonnenwärme im Sommer speichern, um damit im Winter Gebäude zu heizen.

So funktioniert der chemische Wärmespeicher

Der chemische Wärmespeicher der Wiener Forscher ist vereinfacht gesagt ein Reaktor, der mit einer bestimmten Chemikalie gefüllt ist. „Es gibt unterschiedliche chemische Reaktionen, die man für diesen Zweck nutzen kann. Wir verwenden etwa Borsäure, ein festes Material, das wir mit Öl vermischen“, erklärt Prof. Franz Winter vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der TU Wien. „Diese ölige Suspension kommt in einen Reaktor, dessen Wand auf eine Temperatur zwischen 70 und 200 °C aufgeheizt wird.“ Dass die Borsäure im Reaktor in Öl suspendiert ist, dient u. a. dazu, die Wärme optimal im Reaktionsgefäß zu verteilen.

Der thermochemische Energiespeicher (TCES) funktioniert, indem Borsäure (A) durch Wärmezufuhr in Boroxid (B) und Wasser umgewandelt wird (l.). Bei der Rückreaktion (r.) wird die Wärme wieder freigegeben.
Der thermochemische Energiespeicher (TCES) funktioniert, indem Borsäure (A) durch Wärmezufuhr in Boroxid (B) und Wasser umgewandelt wird (l.). Bei der Rückreaktion (r.) wird die Wärme wieder freigegeben.
(Bild: TU Wien)

Durch die Hitze kommt es zu einer chemischen Reaktion: Die Borsäure im Reaktor wird in Boroxid umgewandelt. Dabei entsteht Wasser, was dem Reaktionsgemisch entzogen wird. Zurück bleibt eine energiereiche, ölige Boroxid-Suspension, die sich leicht in Tanks lagern lässt. Wenn man dieser Suspension wieder Wasser zuführt, läuft die chemische Reaktion umgekehrt ab und gibt die in den chemischen Bindungen gespeicherte Energie in Form von Wärme wieder frei. „Damit ist der Kreislauf geschlossen und die Suspension kann ein weiteres Mal verwendet werden“, sagt Verfahrenstechniker Winter. „Im Labor haben wir gezeigt, dass auf diese Weise problemlos viele Auf- und Entladungsvorgänge möglich sind.“

Nutzen in Industrie und Privathaushalten denkbar

Die Wiener Forschergruppe hat die Methode bereits patentiert. Nun will sie genauer untersuchen, wie sich diese Art von Wärmespeicher am besten und effizientesten anwenden lässt. „Für unterschiedliche Anwendungsbereiche werden unterschiedliche Reaktorgrößen optimal sein“, sagt Winter. „Man muss diese Reaktoren immer als Teil eines Gesamtsystems sehen. Je nachdem, welche Wärmemengen bei welchen Temperaturen etwa in einer Industrieanlage anfallen und welche anderen energietechnischen Einrichtungen es dort bereits gibt, muss man den Prozess optimal anpassen.“

Neben Borsäure können auch andere Chemikalien eingesetzt werden – so werden z. B. auch Salzhydrate untersucht. Borsäure und Salzhydrate vereinen gleich mehrere Vorteile: Sie sind kostengünstig und einfach verfügbar, relativ ungefährlich und über viele Zyklen hinweg stabil und können beliebig lange aufbewahrt werden. Die Reaktortechnologie lässt sich auf industrielle Maßstäbe hochskalieren. Dort finden viele Prozesse ohnehin in dem benötigten Temperaturbereich von 70 bis 200 °C statt, sodass hier Abwärme genutzt werden kann, die sonst verlorengehen würde. Aber auch eine Anwendung in privaten Haushalten ist denkbar. Sonnenkollektoren könnten Wärme aus dem Sommer mithilfe der chemischen Wärmespeicher in den Winter übertragen und so den Energiebedarf in der Heizperiode senken.

Wärmeenergie für längere Zeit speichern

Einen genauen Wirkungsgrad des Prozesses können die Forscher derzeit noch nicht angeben – er wird stark davon abhängen, wie der Speicher mit anderen Technologien gekoppelt wird. Der Vorteil sei allerdings jetzt schon deutlich, wie das Team betont: die langfristige Speichermöglichkeit von Wärmemengen, die sonst einfach verlorengehen würden, und deren bedarfsorientierte Nutzung.

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„Wir wollen nun, auch gemeinsam mit Industriepartnern, intensiv an dieser Technologie weiterforschen“, sagt Winter. „Wir sind überzeugt davon, dass mit dieser Erfindung ein wichtiger Schritt nach vorne gelungen ist, der in den nächsten Jahren auch den Schritt in die industrielle Anwendung finden wird.“

Weitere Informationen zum chemischen Wärmespeicher der TU Wien: Technology Offer, Thermochemical Energy Storage in a Suspension Reactor

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