Energiespeicher - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 615

Oft werden in der technischen Literatur die durch Adsorptionsvorgänge gesteuerten
Speicher als thermochemische Wärmespeicher bezeichnet. Sie speichern Wärme durch
endotherme Reaktionen und geben sie durch exotherme Reaktionen wieder ab. Das be-
kannteste Beispiel eines thermochemischen Wärmespeichers ist der sogenannte Sorpti-
onsspeicher: Ein Tank enthält Granulat aus Kieselgel (oder Silicagel), das hygroskopisch,
stark porös ist und deshalb eine große innere Oberfläche hat (ein Gramm hat eine innere
Oberfläche von etwa 600 m 2 ). Silicagele haben die Eigenschaft, Wasserdampf anzuziehen
und an ihrer Oberfläche anzulagern (Adsorption), wobei Wärme frei wird. Umgekehrt
muss zum Trocknen von Silicagelen (Desorption) Wärmeenergie aufgewendet werden.
Technisch wird das Silicagel in Granulatform in einem Kessel gelagert, in dem sich ein
Wärmeübertrager befindet. Unter Energieaufwand wird im Sommer das Silicagel ge-
trocknet und es steht unter einer hohen inneren Spannung. Im Winter wird der Kessel
ein wenig belüftet und Schritt für Schritt auf den Wasserdampfpartialdruck der Um-
gebung gebracht. Die entstehende Wärme kann zur Raumerwärmung genutzt werden.
Der Vorteil thermochemischer Wärmespeicher gegenüber konventionellen Wärme-
speichern in Form eines Wassertanks liegt in ihrer höheren Speicherdichte. Theoretisch
sind Werte von 200-300 kWh pro Kubikmeter erreichbar gegenüber nur etwa 60 kWh/m 3
bei Wasser. Praktisch wurden in den besten Pilotanlagen bisher aber nur etwa 130 kWh/m 3
realisiert. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die gespeicherte Energie über lange Zeiträume
verlustfrei gespeichert werden kann. Neben Silicagelen können auch Metallhydride oder
Zeolithe als Wärmespeicher verwendet werden, die jedoch höhere Betriebstemperaturen
benötigen.
Eine weitere Methode ist die solarthermische Reduktion von Metalloxiden zum Metall
und Sauerstoff. Das Metall, etwa Zink, kann problemlos gelagert und transportiert werden.
In einem zweiten Schritt reagiert das Metall mit Wasser zum Metalloxid unter Freisetzung
von Wasserstoff, der wiederum zur Energiegewinnung verbrannt werden kann. Ein in der
Entwicklung befindliches Verfahren ist das sogenannte Solzinc-Verfahren. Sorptionsspei-
cher können auf eine entsprechende Arbeitstemperatur hin getrimmt werden. Bei Me-
tallhydriden betragen die typischen Temperaturen ca. 280-500 °C, bei Silicagel ungefähr
40-100 °C und bei den Zeolithen in einem Bereich von ca. 130-300 °C.
In solaren Kältemaschinen und bei der Klimatisierung stellen Adsorptionsverfahren
eine interessante Alternative dar. Wichtig für die technische Nutzung eines Adsorptions-
verfahrens ist darin die Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Adsorption bis zur Gleich-
gewichtslage. Bei der Adsorption an porösen Stoffen wird dieser Vorgang einerseits durch
die Diffusionsgeschwindigkeit des Adsorptivs und andererseits durch die Wärmeabfuhr
der freiwerdenden Sorptionswärme durch das Adsorbens (Wärmeübergangskoeffizient)
bestimmt. Zu Beginn der Adsorption, wenn sich das Adsorbens im unbeladenen Zustand
befindet, verläuft der Adsorptionsvorgang schnell. Mit zunehmender Beladung verlang-
samt sich dieser Prozess und kommt schließlich zum Erliegen, wenn sich ein Gleichge-
wichtszustand ein sogenanntes Adsorptionsgleichgewicht eingestellt hat. Dieser Gleich-
gewichtszustand ist durch die drei Zustandsgrößen