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Chemikalie liefert Alternative Natronlauge als Wärmespeicher

Autor / Redakteur: Rainer Klose* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Wissenschaftler forschen weltweit an nachhaltigen Energieversorgungskonzepten. Von der Wasserspeicherung in Zeolithen bis zu Phase Change Materials – die Vielfalt an Projektideen ist groß. Empa-Forscher habe jetzt eine Laboranlage in Betrieb genommen, die mit Natronlauge als Wärmespeicher arbeitet. Sie soll es ermöglichen, Wärmeenergie aus dem Sommer bis in den Winter zu konservieren.

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Benjamin Fumey an seiner Versuchsanlage im Empa-Labor. Seit Herbst 2016 funktioniert der Wärmezyklus zuverlässig.
Benjamin Fumey an seiner Versuchsanlage im Empa-Labor. Seit Herbst 2016 funktioniert der Wärmezyklus zuverlässig.
(Bild: Empa)

Dübendorf/Schweiz – Von einer nachhaltigen Energieversorgung ist man in vielen Regionen Europas noch meilenweit entfernt. Beispielsweise wurden im Jahr 2014 71 Prozent aller Schweizer Privatwohnungen mit fossilen Brennstoffen beheizt, auch 60 Prozent des privat verbrauchten Warmwassers wird auf diese Weise erzeugt. 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 Natriumhydroxid (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 funktionierte der so genannte COMTES-Prototyp (s. Infokasten) 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.

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Info: Das COMTES-Projekt

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 mikroporösen Silikatminerale kommen z.B. 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.
  • 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.

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 Wasserdampfatmosphäre 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.

* R. Klose, Empa, 8600 Dübendorf/Schweiz

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