Wärme kompakt speichern, Energie flexibler nutzen
Effiziente Wärmespeicherung für die Integration erneuerbarer Energien
Die schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energien wie Sonne und Wind erfordert flexible Energiespeicher, um eine sichere Versorgung auch bei geringer Energieproduktion zu gewährleisten. Das Forschungsprojekt FlexModul demonstriert, wie modulare Sorptions-Wärmespeicher die Integration erneuerbarer Wärme und Abwärme in Energiesysteme unterstützen können.
Projektziele und Schwerpunkte
Ziel des Projekts war die Weiterentwicklung von Sorptionsspeichern auf Komponenten- und Systemebene unter besonderer Berücksichtigung von Modularität, Kompaktheit, Skalierbarkeit und Serienproduktionsfähigkeit. Dadurch sollten Investitionskosten minimiert und die Anwendbarkeit in verschiedenen Gebäudetypen maximiert werden. Im Verlauf des Projekts zeigte sich, dass der Speicher einen erheblichen Mehrwert liefert, wenn er nicht nur als kompakter Wärmespeicher, sondern als vollständiges Wärmebereitstellungssystem konzipiert wird. Um das volle Potenzial der Technologie zu bewerten, wurden zudem unterschiedliche Business Cases unter Berücksichtigung technischer und wirtschaftlicher Performance untersucht.
Technologische Grundlagen
Die FlexModul-Speicher nutzen Sorptionstechnologie: Wärme wird zwischen dem Sorptionsmaterial Zeolith, einem porösen Mineral, und Wasserdampf gespeichert. Beim Beladen wird Wasser durch Wärmezufuhr aus dem Zeolith freigesetzt, beim Entladen reagiert es wieder mit dem Zeolith und gibt Wärme ab. So kann Energie langfristig und nahezu verlustfrei gespeichert werden. Wasser dient dabei als nachhaltiges und effizientes Arbeitsmedium, sodass der Speicher wie eine „Batterie für Wärme“ funktioniert.
Entwicklung und Test der Komponenten
Alle zentralen Bauteile der FlexModul-Speicher – Verdampfer/Kondensator, Hauptspeicher und Hochtemperaturspeicher – wurden im Projekt neu konzipiert, gefertigt und getestet:
- Verdampfer/Kondensator: Wandelt Wasser in Dampf um und wirkt als Wärmetauscher.
- Hauptspeicher: Enthält Zeolith 13X in einer lamellierten Struktur, die Gewicht reduziert und den Wärmeübergang optimiert.
- Hochtemperaturspeicher: Ermöglicht durch Silikonölkreisläufe Desorptionstemperaturen bis 250 °C.
Der vollständige Demonstrator wurde im Labor aufgebaut und erfolgreich getestet.
Leistungsfähigkeit und Messergebnisse
Die Messungen zeigen, dass das FlexModul-System leistungsfähig und praxisnah einsetzbar ist. Ein Modul mit bspw. rund 475 kg Sorptionsmaterial kann Heizleistungen von 1 bis 5 kW bereitstellen. Die gemessene Speicherkapazität beträgt 85 kWh pro Modul, was den praktischen Einsatz im Gebäudebereich ermöglicht. Die Daten bestätigen zudem einen effektien Dampftransport und hohe thermische Effizienz, wodurch Wärme aus erneuerbaren Quellen verlustarm gespeichert und flexibel genutzt werden kann.
Ergebnisse und wissenschaftliche Schlussfolgerungen
Die Untersuchungen verdeutlichen, dass FlexModul weit über einen klassischen Wärmespeicher hinausgeht, wenn es als komplettes Wärmebereitstellungssystem implementiert wird. Die wesentlichen Vorteile sind:
- Sektorkopplung & Netzdienlichkeit: Überschüssige elektrische Energie aus PV-Anlagen oder Netzen können thermochemisch im FlexModul gespeichert und flexibel wieder abgegeben werden.
- Hohe Effizienz und Speicherdichte: Die beim Kondensieren von Wasserdampf freiwerdende Wärme wird gezielt genutzt, wodurch Energieverluste minimiert werden. Das Sorptionsmaterial Zeolith ermöglicht zudem eine hohe Energiedichte, sodass große Wärmemengen auf kompakter Fläche gespeichert werden können und langfristig verfügbar bleiben.
- Modularität & Skalierbarkeit: Das FlexModul besteht aus rechteckigen (prismatischen) Modulen, die beliebig kombiniert werden können. Dadurch lässt sich die Speicherkapazität flexibel an Gebäudegröße und Wärmebedarf anpassen – von 85 kWh für Einfamilienhäuser bis zu 850 kWh für größere Anlagen. Die modulare Bauweise erleichtert Installation, Wartung und Erweiterung.
- Kostenoptimierung: Materialien und Komponenten sind auf Serienfertigung ausgelegt; Zeolith 13X bietet ein sehr gutes Leistungs-Preis-Verhältnis.
- Wirtschaftlichkeit: Das FlexModul nutzt überschüssige Wärme aus Solarthermie, Abwärme oder PV-Strom effizient, speichert sie verlustarm und gibt sie bedarfsgerecht ab. Dadurch können Gebäude mehr selbsterzeugte Energie nutzen, Betriebskosten reduzieren und CO₂ Die flexible Bereitstellung unterstützt zusätzlich die Netzstabilität. Im Vergleich zu klassischen Wärmepumpensystemen bietet FlexModul dadurch Vorteile bei Kosten, CO₂-Bilanz und Netzdienlichkeit.