Thermochemischer Wärmespeicher

Grundprinzip

Thermochemische Wärmespeicher nehmen Wärme bei endothermen Reaktionen auf und geben sie bei exothermen Reaktionen wieder ab. Endotherm bedeutet: Für die Reaktion muss Energie zugeführt werden. Exotherm bedeutet: Bei der Reaktion wird Wärme frei.

Im Unterschied zu einem Wassertank wird die zugeführte Energie nicht einfach als erwärmtes Material gespeichert. Bei einem Sorptionsspeicher dient die Wärme beim Regenerieren beispielsweise dazu, gebundenes Wasser zu verdampfen. Wird später Luftfeuchtigkeit zugeführt, kann erneut Wärme entstehen – auch nach Jahren.

Sorptionsspeicher mit Silikagel

Ein Sorptionsspeicher enthält Granulat aus Silikagel und einen Wärmeübertrager. Silikagel ist hygroskopisch, zieht also Wasserdampf an, und stark porös. Dadurch besitzt es eine große innere Oberfläche: Ein Gramm hat etwa 600 m².

Lagert sich Wasserdampf an der Oberfläche an, heißt dies Adsorption; dabei wird Wärme frei. Zum Trocknen des Silikagels muss dagegen Wärme zugeführt werden; dieser Vorgang heißt Desorption. Das Granulat kann beispielsweise mit Solarthermie getrocknet werden. Bei Wärmebedarf wird es wieder befeuchtet; die entstehende Adsorptionswärme kann zum Heizen genutzt werden.

Neben Silikagel kommen Metallhydride und Zeolithe als Speichermaterialien infrage. Für ihre Regeneration sind jedoch höhere Betriebstemperaturen erforderlich.

Speicherdichte und Betriebstemperaturen

Thermochemische Wärmespeicher erreichen eine höhere Speicherdichte als ein Wassertank: Sie liegt bei 200 bis 300 Kilowattstunden pro Kubikmeter, während Wasser nur etwa 60 kWh/m³ erreicht. Als Wärmekapazität werden etwa 250 kWh/m³ genannt; praktisch erreichbar sind in Pilotanlagen etwa 135 kWh/m³.

Die Arbeitstemperaturen hängen vom Material ab:

• Metallhydride: 280–500 °C
• Silikagel: ca. 40–100 °C
• Zeolithe: ca. 130–300 °C
• Kalk: Entladung >100 °C; Regeneration >450 °C

Weitere Verfahren und Anwendungen

Bei einer weiteren Methode werden Metalloxide solarthermisch zu Metall und Sauerstoff reduziert. Das Metall, etwa Zink, lässt sich lagern und transportieren. Bei ca. 350 °C reagiert es mit Wasser exotherm zum Metalloxid und setzt Wasserstoff frei, der zur Energiegewinnung verbrannt werden kann. Das Solzinc-Verfahren befindet sich in Entwicklung.

Die meisten Anwendungen thermochemischer Wärmespeicher waren noch in der Entwicklung. Genannt werden saisonale Speicherung von Solarwärme für Raumheizung und Warmwasser, Lastausgleich in Fernwärmenetzen, Luftentfeuchtung in Hallenbädern, energiesparendes Trocknen in Geschirrspülmaschinen, Raumkühlung durch Sorption, Adsorptionswärmepumpen, selbstkühlende Bierfässer und Solarkühlschränke. Historische Beispiele sind die 1883 entwickelte Natronlokomotive und die in den 1930er Jahren in den USA von Crosley verkaufte Absorptionskältemaschine Icyball auf Basis von Wasser und Ammoniak.

Die Investitionen waren laut Stand 2007 noch hoch. Deshalb werden auch Speicher erforscht, die Wärme nur Stunden statt Monate speichern und dadurch häufiger genutzt werden können.

Kalk besitzt laut Deutschem Zentrum für Luft- und Raumfahrt ein großes Potenzial. Als Speichermedium dient Calciumoxid, gebrannter beziehungsweise ungelöschter Kalk (CaO). Beim Löschen mit Wasser entsteht Calciumhydroxid und Energie wird frei. Zur Regeneration wird Wasser ab 450 ° ausgetrieben; es entstehen wieder Calciumoxid und Wasserdampf. Kalk gilt als kostengünstig, in großen Mengen verfügbar und ökologisch unbedenklich. Genannt werden Wirkungsgrade von bis zu 90 % sowie die Möglichkeit, Solarstrom im Sommer zu speichern und im Winter für Privathaushalte oder Wohnviertel zu nutzen.