Wärmespeicher: Forschern gelingt Durchbruch mit chemischer Reaktion
Neben elektrischer Energie versuchen Ingenieurinnen und Ingenieure, thermische Energie aus regenerativen Quellen zu gewinnen. Forschenden aus Wien ist jetzt ein Durchbruch gelungen.
Die Wärme der Sonne chemisch einfangen – Forscher sind diesem Schritt ein großes Stück nähergekommen.
Foto: PantherMedia/candy18
Beim Thema Energiewende fristet thermische Energie noch ein Schattendasein. 55% der Energie in Deutschland werden für die Wärme- oder die Kälteerzeugung verbraucht. Andererseits kann viel Wärme nicht genutzt werden, da sie zu unpassender Zeit entsteht, etwa Wärme im Sommer, die im Winter dringend benötigt würde. Auch Abwärme aus der Industrie lässt sich nicht immer so nutzen, wie es sinnvoll wäre. Nicht zuletzt bieten sich Module als Ergänzung für Sonnenkollektoren an.
Eine Möglichkeit, Wärme zu speichern, sind chemische Reaktionen. Das Prinzip selbst ist altbekannt. Man benötigt eine endotherme chemische Reaktion. Sie verbraucht thermische Energie und speichert sie als chemische Energie. Die Umkehrreaktion ist exotherm; sie liefert Wärme. Beispiele gibt es viele, etwa die altbekannte Reaktion in Taschenwärmern. In „geladenem“ Zustand enthalten sie eine gesättigte Lösung mit Natriumthiosulfat. Kristallisationswärme heizt das Kissen auf. Der Vorgang kann mechanisch, etwa durch ein Knicken, ausgelöst werden. Für großtechnische Anwendungen eignen sich viele dieser Reaktionen jedoch nicht.
„Es gibt unterschiedliche chemische Reaktionen, die man für diesen Zweck nutzen kann“, sagt Franz Winter vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften der TU Wien. „Wir verwenden Borsäure, ein festes Material, das wir mit Öl vermischen.“ Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich ihre ausgewählte Chemikalie eignet, um thermochemische Wärmespeicher mit hoher Kapazität zu bauen.
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Wärmespeicher mit einem Borsäure-Öl-Gemisch
Die Idee dahinter: Franz Winters Team arbeitet mit einem Gemisch aus handelsüblichem Mineralöl und Borsäure. Das Gemisch aus Öl und Borsäure-Kristallen wird in einen Reaktor gebracht. Jetzt kommt thermische Energie in das Spiel. Mit Abwärme wird der Reaktor auf Temperaturen zwischen 70 und 200 Grad Celsius aufgeheizt. Dabei kommt es zu einer endothermen chemischen Reaktion: Borsäure spaltet Wasser ab, und Bortrioxid entsteht. Das Wasser entweicht aus dem Gefäß, und Bortrioxid in Öl bleibt zurück. Das Gemisch kann problemlos gelagert werden, bis man thermische Energie benötigt.
Dann reicht es aus, Wasser langsam zuzusetzen. Der umgekehrte Weg läuft ab. In einer exothermen Reaktion bildet sich Borsäure aus Bortrioxid zurück – und Wärme kann beispielsweise zum Heizen genutzt werden. „Damit ist der Kreislauf geschlossen und das Öl-Borsäure-Gemisch kann ein weiteres Mal verwendet werden“, so Winter. Das konnte er zusammen mit Kolleginnen und Kollegen im Labor zeigen. Wie viele Zyklen möglich sind, können die Forscherinnen und Forscher momentan nicht sagen; die Reaktion läuft verlustfrei.
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Mit unterschiedlichen Chemikalien Wärme speichern
Wie die Forschenden schreiben, gebe es zwar etliche Chemikalien, die sich eignen würden, auch Salzhydrate wie das eingangs erwähnte Natriumthiosulfat. „Der Vorteil von Borsäure ist ihre höhere Energiespeicherdichte im Vergleich zu gängigen Salzhydraten oder Zeolithen“, so Winter. Außerdem sei Borsäure kostengünstig, leicht verfügbar und im geschlossenen System gut handhabbar, ohne große toxikologische Hürden. Borsäure selbst ist preisgünstig; die Weltjahresproduktion liegt mehr als zwei Millionen Tonnen und könnte gesteigert werden.
Jetzt plant Winters Team weitere Untersuchungen; der Wirkungsgrad ist beispielsweise noch unbekannt. Die Forscherinnen und Forscher suchen auch einen Kooperationspartner für die weitere Entwicklung.
Zeolithe aufbereiten – Wärme besser speichern
Auch die von Winter angesprochenen Zeolithe sind ein Thema in der Forschung. Ingenieurinnen und Ingenieuren am Fraunhofer-Instituts für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP ist es gelungen, einen bekannten Nachteil, nämlich die schlechte Wärmeleitfähigkeit, zu beseitigen. Sie beschichten das Granulat mit metallischem Aluminium. Das Metall wird als Draht im Vakuum verdampft und schlägt sich als dünne Schicht auf dem Zeolith-Granulat nieder. Die Wasseraufnahme oder -abgabe wird nicht beeinträchtigt; die thermische Leitfähigkeit verbessert sich aber immens. Anwendungen zur Nutzung von Wärme steht nichts mehr im Wege. Dennoch bleibt es wichtig, Abwärme eher zu vermeiden als Wärme über Umwege zu nutzen.
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