Thermische Batterie - Hochleistungswärmespeicher für Privathaushalte

Wärme ist eine bedeutende und in der öffentlichen Wahrnehmung oftmals unterschätzte Energieform. Der Wärmebedarf hat mit etwa 66 Prozent des Nutzenergiebedarfes in Deutschland und anderen Ländern der gemäßigten Klimazone eine herausragende Bedeutung für den Energieverbrauch. Dieser für Raumheizung, Warmwasserbereitung und als Prozesswärme benötigten Energiemenge steht jedoch das Doppelte an ungenutzter Abwärme – wie sie beispielsweise bei der Stromproduktion entsteht – gegenüber. Können diese Abwärmemengen zur Deckung des Wärmebedarfs genutzt werden, ist ein bedeutender Einspareffekt der Energiegewinnung erzielbar. Voraussetzung ist jedoch die Speicher- und Transportierbarkeit der zu nutzenden Wärme, da nur in wenigen Fällen die Abwärme direkt am Ort der Entstehung genutzt werden kann. Eine Lösung hierfür können kompakte Wärmespeicher bieten. Sie stellen eine Schlüsseltechnologie für die Abwärmenutzung dar, denn sie machen Wärme flexibel und unabhängig verwendbar.
Das Kompetenztandem arbeitet an der Entwicklung eines kompakten Wärmespeichers, der speziell bei Mikro-Blockheizkraftwerken (BHKW) zum Einsatz kommen soll. Dies sind kleine dezentrale „Zuhausekraftwerke“, die Ein- und Mehrfamilienhäuser mit Wärme versorgen können. Der Wärmespeicher sorgt für eine möglichst vom Wärmebedarf entkoppelte Stromproduktion, da die Blockheizkraftwerke so die produzierte Wärme speichern und überschüssig produzierten Strom ins zentrale Stromnetz einspeisen können.
Das hinter dieser Ausrichtung stehende Konzept sieht vor, viele dieser Anlagen zu einem zentral gesteuerten Verbund zusammenzuschließen. Mit einem privaten Energieversorgungsunternehmen konnte ein Kooperationspartner gewonnen werden, der die Wärmespeicher in seinen Mikro-Blockheizkraftwerken einsetzen möchte.

Projektziele

Ziel war die Entwicklung und das erfolgreiche Testen eines Prototyps des Wärmespeichers mit 80 Kilowattstunden Speicherkapazität und etwa 1 Kubikmeter Volumen für den anschließenden Beginn einer Serienproduktion. Für die Entwicklung des kompakten Wärmespeichers bedurfte es des gezielten Aufbaus eines geeigneten Prozesses, der sich zur Anwendung als stationärer Hochleistungswärmespeicher eignete. Das Kompetenztandem "Thermische Batterie" erforschte die Wärmespeicherung unter der Nutzung reversibler chemischer Reaktionen für verschiedene Anwendungen. Durch verschiedene Speichermaterialien kann das System der "Thermischen Batterie" leicht an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden. So kann die Wärme je nach gewähltem Speichermaterial auf Temperaturniveaus von 50° C bis nahe 1000° C gespeichert werden.

Das ökonomische Ziel lag im Aufbau eines Verbunds von Mikro-Blockheizkraftwerken für das Konvergenzgebiet Lüneburg. Zusammen mit einem wirtschaftlichen Kooperationspartner sollten viele dieser kleinen Blockheizkraftwerke zu einem zentral gesteuerten Verbund zusammengeschlossen werden, um mithilfe der Wärmespeicher Energie für den Strommarkt bereitzustellen. Die aktuell auf dem Markt vorhandenen Wasserspeicher zur Sammlung von Wärme benötigen durch ihr Volumen viel Platz, der die Einsatzmöglichkeiten des Systems insbesondere für Privathaushalte stark limitiert. Weiterhin entstehen aktuell noch hohe Wärmeverluste, die mit zunehmender Speicherdauer ansteigen. Kompaktere und verlustarme Wärmespeicher auf Basis thermochemischer Reaktionen können hier Abhilfe schaffen und die Marktfähigkeit der Mikro-BHKW verbessern.
Umsetzung

Der Gesamtprojektzeitraum erstreckte sich über drei Jahre und war der Initiative Nachhaltigkeitsforschung an der Leuphana Universität zugeordnet.

Bei der Entwicklung der thermochemischen Wärmepumpe wurde ein neuartiges Konzept verfolgt, das thermochemische und Latentwärmespeicherung miteinander kombinierte (Thermische Batterie). Thermochemische Wärmespeicher bieten im Gegensatz zu sensiblen und latenten Wärmespeichermaterialien deutlich höhere Wärmespeicherkapazitäten und sind dabei sehr preisgünstig. Sie halten ein gleichbleibendes Temperaturniveau, können Wärme nahezu verlustfrei speichern und werden aus Materialien gebaut, für die keine Rohstoffknappheit besteht, da entsprechend geeignete Materialien in der Natur sehr häufig und in der Industrie oft als Abfallstoffe auftreten. Ziel der Forschung war die Minimierung des Latentwärmespeicheranteils durch eine optimierte Einbindung in das Mikro-Blockheizkraftwerks-System ebenso wie die gezielte Optimierung des Prozesses und der Speichermaterialien sowie die Verwendung technischer statt hochreiner Materialien zur Kostenreduzierung.

Das Konzept sah vor, viele dieser Anlagen zu einem zentral gesteuerten Verbund zusammenzuschließen. Hierfür wurde zunächst erarbeitet, wie thermochemische Wärmepumpen in das Haushaltkraftwerk-System eingebettet werden können. Für die anschließende Produktion und den Vertrieb der Wärmespeicher sollte ein Unternehmen in Lüneburg aufgebaut werden. Mit einem privat finanzierten Energieversorgungsunternehmen konnte ein Kooperationspartner gewonnen werden, der die Wärmespeicher in seinen Mikro-Blockheizkraftwerken einsetzen möchte.