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Speicher für regenerative Wärmeenergie: Sommerwärme im Winter verbrauchen

49 Prozent des EU-Primärenergieverbrauchs resultieren aus der Wärmeerzeugung mit fossilen Brennstoffen, die Regenerativenergien wegen ihrer Speicherproblematik bislang nicht ersetzen können. Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa könnten hierfür eine Lösung haben.

NaOH-Speicheranlage Bildquelle: © Empa

Empa-Forscher Benjamin Fumey (hier an seiner NaOH-Speicheranlage) hofft jetzt, Industriepartner zu finden, mit denen zunächst kompakte Hausspeicheranlagen entwickelt werden sollen, mit die das »Winterloch« der Erneuerbaren überbrücken könnten.

Wegen des fluktuierenden Charakters erneuerbarer Energien scheiden sie bislang als »Rohstoff« für die Wärmebereitstellung aus. Forscher der Empa haben jetzt ein Verfahren mit Natriumhydroxid (NaOH) entwickelt, das die Wärmeaufnahmefähigkeit des Materials und seine exotherme Reaktion nutzt, um Wärme auch über Jahreszeiten hinweg speicher- und wieder  abrufbar zu machen.  Exotherme Reaktionen kennen viele aus »Nackenwärmern« mit »Phase Change Materials« wie Natriumacetat. Diese Nackenwärmer geben zuvor »geladene« Wärme bei Formveränderung (Knicken) wieder ab.

Wird verdünnter Natronlauge Wärme zugeführt, verdampft ihr Wasseranteil. Die konzentrierte Natronlauge hat die Wärme jetzt chemisch gespeichert und lässt sich über Jahre aufbewahren. Wird  Natriumhydroxid wiederum Wasser hinzugefügt, wird die Lösung wieder heiß und gibt Wärme ab. Da die entstehende Natronlauge hygroskopisch ist, fängt sie zudem Wasserdampf ein, wobei die entstehende Kondensationsenergie die Lauge weiter aufheizt.

Robert Weber und Benjamin Fumey von der Empa haben im Labormaßstab einen Prototypen entwickelt, der sogenannte Fallfilmverdampfer einsetzt, wie sie z.B. auch in der Lebensmittelindustrie verwendet werden, um Orangensaftkonzentrat herzustellen. Nach viel Tüftelarbeit war ein praktikables Verfahren gefunden: Das zähflüssige Speichermedium muss langsam und spiralförmig entlang eines Rohres hinabfließen, dabei Wasserdampf aufnehmen und die entstehende Hitze an das Rohr abgeben. Auch umgekehrt klappt das Aufladen des Mediums mit der Technik. Als Wärmetauscher haben sich herkömmliche Spiraltauscher bewährt, die in handelsüblichen Durchlauferhitzern stecken.

Für das Entladen des Speichers stellten sich Wasserdampftemperaturen von fünf bis zehn Grad Celsius als optimal heraus, die auch mit einer Erdwärmesonde erzeugt werden können. 50-prozentige Natronlauge läuft dabei außen über das Wärmetauscher-Rohr und wird auf seinem Weg nach unten in der Wasserdampf-Atmosphäre auf 30 Prozent verdünnt. Zugleich erhitzt es sich auf 50 Grad und kann bereits in Fußbodenheizungen genutzt werden.

Zum Beladen des Speichers fließt die 30-prozentige entladene Natronlauge wiederum um das Spiralrohr, in dem sich z.B. aus Solarkollektoren auf 60 Grad erhitztes Wasser befindet,  nach unten. Erneut verdunstet das Wasser aus der Natronlauge, der Wasserdampf kondensiert und die Natronlauge verlässt den Wärmetauscher in 50-prozentiger Konzentration. Sie ist jetzt mit Wärme aufgeladen.

»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.«

Jetzt suchen die Forscher Industriepartner, um aus dem Prototypen eine kompakte Hausanlage zu entwickeln.