Speicherung von Sonnenenergie

Fachbeiträge
Notwendigkeit und einige Grundlagen
Speicherung
von Sonnenenergie
Von Dipl.{hem. Klaus Roters,München
grenzten Vorräte an fossilen und nuDie Vorräte an fossilen und nuklearen
klearen Brennstoffen und aus ökolosiBrennstoffen sind begrenzt, ihre Verwendung ist problematisch. Deshalbist
schcn Grüntlen müssen alle Anstreneine rasche Verbreitung der Solartech- gungen unternommen werden, den
nik und eine möglichst umfassende Wärmebedarf für Brauchwasser und
Raumheizung durch Speicherung des
Nutzung der unerschöpflichen und
umweltfreundlichen
Energiequelle Solarwärmeüberschussesund durch
Nutzung der Abwärme der Kraftwerke
Sonne dringend erforderlich. Gerade in
ganzjährig
zudecken.
unseren Breiten fallen jedoch Angebot
der Sonnenenergie und wesentlicher Welche Möglichkeiten der EnergiespeiBedarf an dezentraler Energie im Niecherung existieren zu welchen Kosten?
dertemperaturbereich, vor allem an
In welche Richtungen müssen die BeRaumheizwärme, zeitlich stark ausein- mühungen der Wissenschaftler,
Ingeander. Deshalb konzentrlert sich die
nieure und Politiker gehen, um den
Sonnenenergienutzungderzeit auf den
Wärmebedarf für Brauchwasser und
Brauchwasser- und Heizenergiebedarf Raumheizung ganzjährig
bereitzustelim Sommer und in der Übergangszeit. l e n ?
Schwieriger ist die Nutzung der SonWärme kann in zwei verschiedenen
nenenergie im Winter. Zentrales ProFormen gespeichertwerden, und zwar
blem der Sonnenenergienutzungist daals fühlbare Wärme oder als latente
her dle Speicherung. Durch Kurzzeits p e i c h e rk a n n d a s S o n n e n e n e r g i e a n g e - W ä r m e .
bot an den tageszeitlichenRhythmus
des Bedarfs angepaßt werden. Die
Speicherung fühlbarer Wärme
Langzeitspeicherung über mehrere
Wird die Temperatur eines Stoffes
Monate ist dagegen notwendig, wenn
durch Wärmezufuhr ohneAnderune
wir in absehbarer Zeit nicht mehr auf
d e s A g g r e g a l z u s t a n d eesr h ö h t , s o k a n n
fossile und nukleare Brennstoffe zudie zugeführte Wärme beim Abkühlen
rückgreifenkönnen.
wieder genutzt werden. Dies bezeichAngesichts dieser prekären Situation
net man als Speicherung fühlbarer Wärsollten
dies sei einleitend hervorge- m e .
hoben
wesentlich mehr öffentliche
Mittel für die Erforschung der Spei- Einen Anhaltswert für die Wärmespeicherung mit festen und flüssigen Matechertechnik zur Verfügung gestelit
rialien gibt das Gesetz von Dulongwerden.
Petit, das besagt,daß das Produkt aus
der spezifischenWärme und AtommasIm Programm Energieforschung und
se. abgesehen von wenigen AusnahEnergietechnologien der Bundesregiemen,6,2cal.grd-t .Mol-l beträgt.
rung für 1977 bis 1980 über 6,532 Mrd.
DM entfallen allerdings nach wie vor
Ein Wärmespeichersystembesteht aus
mehr als zwei Drittel, nämlich 4,532
den drei Komponenten SpeichermeMrd. DM, auf die Kernenergieforschung,
dium, Behälter für die Isolierung, Wärwährend für die gesamte Solarformetransportanlagen. Die Leistungsfäschung mit 127 Mill. DM gerade 2 %, higkeit eines
Speicherswird bestimmt
für die Windenergieforschung mit
gar
g.es
23 Mill. DM
nur 0,3 %
GesamtE1ttlc..
etats bereitgestelltwerden I ).
Iclstsg
Spätestens mit der Installation einer 6
Solaranlage für Heizzwecke sollte für
eine optimale Wärmedämmung des 5
Hausesgesorgt werden. B i 1 d I zeigt
die Verteilung von Wärmeangebotund t
Wärmebedarf für ein Modellhaus in
München 2). Es ist ein zweistöckiees r
Einfamilienhaus mit 125 m2 Wohniläche, 50 m2 Koilektorfläche mit 45o z
Dachneigung, einem Jahreswärmebedarf von 16 000 kWh und einem Was- -,
serspeicher von 20 m3 Inhalt. Ein
---\i=--r
Haus mit diesen Charakteristiken hat o
*-.".-;-;*;._i;;-^;;.---'^--;--,;- ";;-;
in den Monaten November bis März
noch ein Wärmedefizit von 4 000 kWh.
Bild 1: Bilanz des Energiebedarfsfür ein
d a s d u r c h F r e m d e n e r g i eo d e r L a n g z e i t Modellhaus in München 4go n. B.
(Böck)
speicherunggedeckt werden muß.
B il d I deutetauch dasÜberangebot
an Sonnenenergiewährend der Sommermonate an. Angesichts der be-
I
il
ill
interneWärmeerzeuquno
E i n s t r a h l u n gd u r c h F e n i t e r
v o m K o l l e k t o r g e s a m m e l t eE n e r g i e
S u m m el - l l l
9esamter Bedarf
Sonnenenergie
Ig 2 Heft 5 SeptemberlOktober1977
von der Zahl der möglichen Speicherzyklen, der Speicherkapazität, der
Dauer der Ladung und Entladung, dem
Temperaturbereich des Speichermediums, Verlusten und eventuellem Verbrauch an Hilfsenergien (2.B. für Pumpen).
Die Dauer, für die eine Wärmemenge
gespeichert werden kann, wird vorgegeben durch folgende Gleichung:
T-Tu
To
T
Tu
=
=
=
T
=
=
I
= (To-Tu)e-t/z
(l)
Anfangstemperatur
des Speichers
Speichertemperatur nach cler Zeit t
Umgebungstemperatur (wird als
konstant angenommen)
Zeitkonstante der Selbstentladung
Zeitvariable
Das Problem der Selbstentladungeines
S p e i c h e r sf ü h I b a r e r W ä r m e
kann verglichen werden mit der Entladung eines elektrisch aufgeladenen
K o n { , e n s a t o r sü b e r e i n e n W i d e r s t a n d .
Mit größerem Volumen des Speichers
wird die Zeitkonstante der Selbstentladung größer. Die Bedeutung der Ladungszahl - sie gibt an wie oft pro
Jahr der theoretische Wärmeinhalt
eines Speichersumgesetzt wird - für
die Kosten des Speichers geht aus
B i I d 2 hervor. Zur Optimierung
_eines Speichers muß ein Kompromiß
zwischen großer Ladungszahl und großen Dimensionen gefunden werden.
Die Speicherung fühlbarer Wärme stellt
i. a. die geringsten Anforderungen an
das Speichermedium.Das Material sollte eine große spezifische Wärmekapazität, große Dichte, geringen Dampfdruck und geringe Kosten haben. Zudem darf es den Behälter nicht ansreif e n u n d m u ß c h e m i s c hs t a b i l s e i n . b i e sen Anforderungen genügt Wasser im
Bereich von 0 bis 100 oC von allen Materialien am besten.
Doch selbst bei Verwendung von Wasser ist es aus ökonomischen und ökologischen Erwägungen (Abwärme, Materialaufwand) nicht sinnvoll, für jedes
einzelne Haus Jahresspeicher, die nur
mit Sonnenenergie beschickt werden,
e n t w i c k e l nz u w o l l e n .
Die vorausgegangenen Erläuterungen
und die Vqröffentlichungen von Prof.
G. Schölt 3) führen zu fälgender Forderung: Es müssen große Warmwasserspeicher gebaut und mit möglichst vielön Wärmeerzeugern (Häusei mit Kol-
lek t oren im Som mer) und Wärmever-
brauchern (die gleichen Häuser im
Winter) verbunden werden. Es muß näher untersucht werden, ob dieser Vorschlag dazu führen könnte, eine Gemeinde ganzjährig mit Solarwärme fijr
Heizung und Brauchwasser zu versorgen.
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3 ) V e r u n r e i n i g u n g e nd e s S p e i c h e r m e - ( E i n e s p o n t a n e S p a l t u n g A B i s t z u r
bJ
900
diums dürfen nicht zü gefährlichen Situationen (2. B. Giftigkeit)
führen.
800
+
| 70o
I
|
4)
600
Das System AB könnte z. B. HrO sein.
I n s b e s o n d e r ed e r e n t s t e h e n d e - W a s s e r s t o f f i s t a l s E n e r g i e t r ä g esr e h rg e e i g n e t .
Bei der Latentwärmespeicherungmüs- H 2 O k a n n b e i e i n e r T e m p e r a t u r v o n
sen aulJerdemfolgende Aspekte beach- c a . I 5 0 0 o K i n e i n e m S c h r i t t g e s p a l tet
werden. Unterkühlungseffekte, ten werden. Diese hohe Temperatur
I m p f u n g d e r S p e i c h e r m e d i e nS, t r a l i f i - k a n n v e r m i e d e nw e r d e n ,w e n n m a n d i e
Spaltung über einen Mehrstufenprozeß
kation, Zyklenzahl und Wärmetaus c h e r . D i e s e G e s i c h t s p u n k t ew _ u r d e n führt. Weltweit werden diese ali thervon M. Telkes +) und N. Laing 5l 4it- mochemische Kreisprozesse bezeichneten Reaktionssequenzenuntersucht 6).
k u t i e r t .B i l d
3 und Tabelle I
Es sei hier nur eine Reaktionsfolge gegeben einen vergleichendenüberblick
über potentiell geeignete Speicherma- nannt:
terialien.
l . F e 2 O 3 + S O 2 + H -2 O - >
5 .soo
t or
3
e
3O0
e
I zoo
Konv
Hertun9
volumen [nl]
Bitd 2:
ChemischeSpeicher
Spezifische Wärmekosten aus Solarspeichern (nur Speicheranteil)
(Dietrich )
ChemischeSpeicherbieten Möglichkeiten, die die Wärmespeicherung nicht
aulwerst:
Latente Wärmespeicherung
Wird ein Stoff bei Zu- oder Abfuhr
von Wärmeenergie in einen anderen
Aggregatzustand umgewandelt, so bezeichnet man die dazu notwendige spezifische Umwandlungswärme als Lat e n t w ä r m e . E i n e A u s s a g eü b e r d i e G r ö ß e n o r d n u n g d e r S c h m e l z w ä r m ee i n e r
Substanz macht die Richardson -Regel..
-
=
Iqs<c n m=
Bei der Photosynthese wird Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt und als solche gespeichert.
Diesen Vorgang, den die Natur täglich
demonstriert und der dem Mensöhen
die gesamten Vorräte an fossilen
Brennstoffen geschenkt hat, versuchen
Wissenschaftler gezielt einzusetzen, um
einen Beitrag zur Energieversorgungzu
lelsten.
allgemeine Gaskonstante
= 8.3 . kJlK . KMol
_ Temperatur des Schmelzpunktes
scnmetzwarme
Substanzen, die latente Wärme speichern. sollten folgenden Anfordeiungen genügen:
I)
2)
Schmelzwärme,Wärmekapazität
und Wärmeleitfähigkeit
sollten
groß, Volumenänderung beim
Schmelzen, Dampfdruck bei steigender Temperatur und Viskosit ä t s ä n d e r u n g egne r i n gs e i n .
Die chemische und physikalische
Wechselwirkung zwischen .Speichermedium und Behälter muß
ebenso wie chemischer Zerfall
oder_ Verunreinigung minimiert
weroen_
FP
Zurmmenelzung
oc
npl 7"
D
25oc
d"^3
Langzeitspeicherung ohne Wärmeveilust
Speicherung bei hoher Energiedichte
Entnahme der gespeichertenthermischen Energie bei Temperaturen
oberhalb der Eingabetemperatur.
1. Photosynthese
RTschm < Qs < 1,5 RTr.1r1
R
Das Material muß möglichst billig
seln.
Verbesserungdes Wirk ungsgradeswünschenswert.)Die Produkte können einzeln gespeichert und später unter
Rückgewinnung der eingegebenen
Energie wieder zur Reaktion glbracht
werden.
D
2. ThermochemischeSpeichersysteme
2FeSöa+Ul
l20oc
2 . 2 F e S O 4+
F e 2 O 3+ 2 S O 2
1 1 20 2 .
7 0 0 0C
Thermochemisch
betriebene
Wärmepumpe und andere neue
Konzepte
Es gibt auch die Möglichkeit, Wärmep u m p e n d u r c h t h e r m o c h e m i s c h ep r o zeste zu betreiben / ). Auf diese und
andere neuartige Speicherkonzepte.z.
B. "Thermobeton", wird auf där Tagung "Heizen mit Sonne III - Speicherung" (vgl. S.
) i m e i n z e l n e ne i n s e gangen.
Literafur:
(1)
Energieforschung
f rioegt er ac m
g
h nmo t o g i e nt 9 7 7 _ f 9 6 Ou, nHde rEanuei ör _.
(2)
I { B ö . c k : W _ ä _ r m e b i t aeni zn e sW o h n'öfrihau_
ses. .Unveröff. Facharbeit Set<tion
s r K ,u n i v e r s i t ä tM ü n c h e n .1 9 7 S
G. Schöu, vDt Bericht 223, s. 33-38,
(3)
(o)
Ktima und Kälte tnsenieur,
Yi.\192"j
N.
VDt-Bericht 223, 49-65,
TLainC:
Im elementarsten Fall thermochemi( 6 ) E n e r g i e q u e l t e nf ü r m o r g e n ? T e i t l l :
r \ u r z u n 9 d e r s o l a r e nS t r a h l u n g s e n e r g i e
scher Energiespeicherung wird eine
(
z)
t h e . s u n !V o t . 8 : S t o r a g e W
Verbindung AB bei erhöhter Tempera, ater
9
h f€aaItienrS, o a t a c o m m u n i c a t i o , i E d ü ; ä _
tur in die Produkte A und B üb-ereet i o n . _ A J o i n t C o n f e r e n c eo f t h e Ä m - e r i _
can Section of the Internationalso-tär
führt.
Energy Society and the Solar Enerqv
society of Canada,Aug. l5_2O, 1976,
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A+B
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2.82
65 NoF/23CoFVl 12l,\j? 2
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2.97
67 riF/33Mst2
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2.A
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832
2.94
62.5 NoF/22. st"\Fy' | x.F
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809
2.85
632
2.8r
60 LiF/40NoF
652
2.72
t,E
t.a
| 2 NoF/ 4AKF
/4tLiF / a MsF2 449
Tabelle I I Eutektische
Dichten
I
Fluoridmischungen
mit
Schmetzpunkt
uncl
Bitd 3:
Vergleich
der
Wärmekapazität
pro
Votumeneinheit
(5chröder)
SonnenenergieJg 2 Heft 5 September/Oktober 1977