US-Forscher entwickeln neue Methode der Gebäudeheizung
Forschende in den USA haben gemeinsam mit Partnern aus der Industrie eine innovative Methode zur Beheizung von Gebäuden entwickelt. Sie integrieren thermochemische Materialien in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen. Das Ergebnis: Die gespeicherte Energie beheizt effektiv Innenräume.
Forschende sind sich sicher, dass auch größere Gebäude mit thermochemischen Speichern effizient mit Wärme versorgt werden können.
Foto: Panthermedia.net / PeterHofstetter (YAYMicro)
Thermochemische Speichermethoden sind als innovative Technologien bekannt, mit denen sich Wärmeenergie speichern, aber auch umwandeln lässt. Notwendig sind dafür zwei Stoffe, die miteinander reagieren und so ein neues Produkt entsteht, in diesem Fall Wärme. Vorteile sind: Diese Methode ist reversibel und die Energie kann über lange Zeiträume nahezu verlustfrei gespeichert werden. Als Ausgangsstoffe kommen meistens Zeolith, Silicalgel, Magnesiumchlorid oder Magnesiumoxid zum Einsatz.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaflter des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums haben in Zusammenarbeit mit Industriepartnern und Forschenden des Lawrence Berkeley National Laboratory daraus nun eine innovative Methode entwickelt, mit der sich Gebäude effizient heizen lassen. Sie setzen dabei auf die Integration solcher thermochemischen Materialien, kurz TCMs, in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK). Auf diese Art und Weise kann die gespeicherte Energie effektiv zur Beheizung von Innenräumen genutzt werden, vor allem in Regionen mit hoher Luftfeuchtigkeit.
Ohne Wasserdampf keine Wärme aus thermochemischen Prozessen
Die US-Forschenden konzentrierten sich auf Salzhydrat-TCMs, weil diese als vielversprechende Kandidaten gelten, wenn es darum geht, eine Lastflexibilität in Heizungssystemen von Gebäuden bereitzustellen. Diese Flexibilität bietet die Möglichkeit, entweder den Strombedarf zu reduzieren oder die Last auf Zeiten zu verschieben, in denen der Strom preislich betrachtet günstiger ist und zudem aus umweltfreundlichen Quellen erzeugt wird. Die TCM werden durch Hydratations- und Dehydrationsreaktionen be- und entladen. Konkret entsteht vor allem bei der Hydratation des Salzes die Wärme. Zu anderen Tageszeiten kann eine Wärmepumpe die notwendige Energie liefern, damit die TCM dehydrieren oder laden können. Deshalb ist für diesen Prozess zusätzlich Wasserdampf notwendig.
Nutzt das System diesen direkt aus der Luft in der Umgebung, handelt es sich in diesem Fall um ein sogenanntes offenes System. Bei einem geschlossenen System befinden sich die TCM in einer isolierten Kammer. Aus dieser kann dann die notwendige Luft herausgezogen werden, während der Wasserdampf in einer zweiten Kammer entsteht. An sich sind offene Systeme die einfachere Variante, im Winter jedoch ist Wasserdampf eher knapp, was den Betrieb erschwert. Den Forschenden gelang es trotzdem, den Reaktor in ein Gebäude zu integrieren, ohne dass das Haus dabei austrocknete. Trotzdem sei es wichtig, dass man die Herkunft der Feuchtigkeit bei der Planung mit einkalkuliert.
Herkunft des Wasserdampfs ist entscheidend für effiziente Wärme
Die Forschenden untersuchten verschiedene Systemkonfigurationen. Der TCM-Reaktor wurde dabei immer mit Strontiumchlorid betrieben. Ihr Fokus lag vor allem auf der Quelle des für die Reaktion benötigten Wasserdampfs. Ihrer Ansicht nach nutzt die vielversprechendste Lösung die aus dem Gebäude austretende Luft, um den TCM-Reaktor zu versorgen. Im ersten Schritt wird die Luft im Reaktor erwärmt. Danach kann sie indirekt über einen Wärmetauscher zur Erwärmung der einströmenden Frischluft verwendet werden.
Diese Vorgehensweise hat zwei entscheidende Vorteile: Dadurch wird einerseits eine Entfeuchtung der Raumluft vermieden und andererseits die Energieeffizienz des Heizsystems verbessert. Da die Leistung des TCM-Reaktors stark von der relativen Luftfeuchtigkeit abhängt, ist er in Regionen mit höherer Luftfeuchtigkeit natürlich effizienter. So wäre aus Sicht der Forschenden ein Reaktor in Seattle sinnvoller als in Minneapolis. Denn in Seattle herrscht im Winter eine höhere Luftfeuchtigkeit während in Minneapolis es eher kälter und trockener ist. Bei dieser Konfiguration muss allerdings die Abluftöffnung weit von der Zuluftöffnung entfernt sein. Die Forschenden betonen, dass der Reaktor weder einen Heizkessel noch eine Wärmepumpe ersetzen könne. Die Idee sei, die Energie zu speichern, um sie später nutzen zu können.
Thermochemischer Reaktor auch für größere Gebäude geeignet
Die Forschenden untersuchten auch, wie die Technologie in verschiedenen Gebäudetypen funktionieren könne. Sie betrachteten dafür Einfamilienhäuser, Hotels, Bürogebäude und Krankenhäuser. Ihr Ergebnis: Die Stromentstehungskosten (LCOS) für ein TCM-System sinken mit zunehmender Gebäudegröße und werden auf unter 10 Cent pro Kilowattstunde geschätzt. Das mache so ein System durchaus wirtschaftlich attraktiv. Weitere Forschungsarbeiten seien aber erforderlich, um die Kosten für Herstellung, Integration, Verpackung und Installation des Reaktors zu ermitteln.
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