EnErChem

Entwicklung und Erprobung eines chemisch-sorptiven Langzeitwärmespeichers für die Gebäudebeheizung

Kurzbeschreibung

Ziel des Forschungsprojekts EnErChem war die Entwicklung eines thermochemischer Energiespeicher für die Gebäudebeheizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern. Im Rahmen einer Demonstrationsanlage wurde das erarbeitete Verfahrenskonzept technisch umgesetzt und der thermochemische Energiespeicher als Teil der Heizungsanlage unter realen Nutzungsbedingungen erprobt. Damit wurde der erforderliche Schritt zu einer Demonstrationsanlage gegangen und erstmals die notwendigen Praxiserfahrungen mit chemisch-sorptiven thermischen Energiespeichern unter realen Betriebsbedingungen gemacht.

Das Projekt EnErChem baute auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts CWS (Chemische Wärmespeicherung mittels reversibler Feststoff-Gasreaktionen) auf. Neben der Integration des TCES in eine Solaranlage, ein Schwerpunkt des Projekt CWS, wird das erarbeitete Konzept auf Kraft-Wärme-Kopplungs (KWK) Anlagen und Photovoltaik (PV) Anlagen übertragen.

 

Vorteile bei der Integration eines TCES in diese Anlagen sind: 

Thermische Solaranlage:

  • Steigerung des solaren Beitrags an der Gebäudewärmeversorgung durch eine nahezu verlustfreie Speicherung der Solarenergie aus den Sommermonaten und eine Nutzung der Solarwärme in den Wintermonate

KWK-Anlage:

  • Erhöhung der jährlichen Laufzeit der KWK-Anlage durch eine Entkopplung der Wärme- und Strombereiststellung: in Zeiten eines geringen Wärmebedarfs wird die Wärme im TCES gespeichert und kann in Zeiten eines hohen Wärmebedarfs wieder genutzt werden.

  • Flexibilisierung der Anlagenlaufzeit z. B. durch einen stromgeführte Betriebsweise für ein dezentrales Lastmanagement

PV-Anlage:

  • Ergänzung/Alternative zu einer elektrischen Batterie, um den Eigenverbrauch der PV-Anlage zu erhöhen. Die im TCES gespeicherte Energie wird zur Raumheizungsunterstütung genutzt. Mit abnehmender staatlicher Föderung des PV-Stroms und sinkenden Anlagenpreisen wird dies zunehmend attraktiv

Das Projekt gliederte sich in die Bereiche der Verfahrensentwicklung und der Materialentwicklung.

Verfahren

Herzstück des thermochemischen Energiespeichers ist der Reaktor, in dem die Speicherbe- und -entladung stattfindet. Im Projekt CWS wurde ein sogenanntes externes Reaktorkonzept entwickelt, welches in diesem Projekt nun weiter entwickelt und umgesetzt wurde. Charakteristisch an dem externem Reaktorkonzept ist die örtliche Trennung zwischen der Materialbevorratung und dem Reaktor. Dadurch wird eine Entkopplung zwischen thermischer Leistung (Reaktor) und Speicherkapazität (Materialbevorratung) erzielt. Neben einer Erhöhung der Effizienz der Prozessführung erlaubt dies den Einsatz in sehr unterschiedliche Anwendungen, da Leistung und Speicherkapazität einfach skaliert und angepasst werden können.

Forschungsschwerpunkte im Bereich Verfahren waren:

  • Weiterentwicklung des verfahrenstechnischen Konzepte zur Einbindung eines Langzeitwärmespeichers in unterschiedliche Anlagenkonzepte (Solarthermie, Photovoltaik, Kraft-Wärme-Kopplung) und Bewertung anhand von Simulationsstudien und Referenzszenarien

  • Auslegung von Reaktor, Materialbevorratung und Materialtransport sowie technische Umsetzung und Erprobung der Komponenten und des Gesamtsystems am Beispiel einer solarthermischen und KWK-Anlage mit Langzeitwärmespeicher (im Labor bzw. im Rahmen einer Demonstrationsanlage).

Material

Eine hohe Speicherdichte des Speichermaterials ist Voraussetzung für geringe Speichervolumina des TCES. Gleichzeitig muss das Speichermaterial eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit aufweisen, so dass der TCES eine ausreichend hohe Leistung bereitstellen kann. In diesem Projekt wurden neue hocheffiziente Speichermaterialien aus zeolithischem Träger und Salz/en entwickelt und für den Einsatz in die Demonstrationsanlage hergestellt. Bei diesen sogenannten Kompositen wird die Wasserdampfadsorption durch den Hydratationsprozess des Salzes überlagert, so dass sich gegenüber dem reinen Zeolith höhere Speicherdichten realisieren lassen. Die sehr hohe Kinetik des Zeoliths wird beim Komposit beibehalten.

Forschungsschwerpunkte im Bereich Material waren:

  • Untersuchung der Interaktion zwischen Salz und Zeolith, insbesondere den Einfluss des Porensystems auf die Wasseraufnahmekapazität des Komposits

  • Optimierung der Speichermaterialien hinsichtlich Sorptionskapazität, Kinetik, Langzeitstabilität 

  • Erarbeitung von Prozessen zur industriellen Herstellung der Speichermaterialien.

 

Laufzeit

12/2012 - 11/2017

 

Projektpartner

  • Institut für Technische Chemie, Universität Leipzig
  • Vaillant GmbH
  • Chemiewerke Bad Köstritz GmbH

 

Danksagung

Das Projekt EnErChem wurde vom BMWi (Förderkennzeichen 03ESP402A) gefördert und vom Projektträger Jülich verwaltet. Die Autorinnen und Autoren danken für die Unterstützung. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autorinnen und Autoren.

Kontakt

Dr.-Ing. Henner Kerskes
 

Dr.-Ing. Henner Kerskes

Team Lead

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