wärmespeichers auf Basis von Flüssigsorption

u Abbildung 1
Funktionsmuster eines Sorptionswärmespeichers – eingebaut in einen Hochseecontainer
Quelle aller Bilder: EMPA
Entwicklung
eines Sorptionswärmespeichers
auf Basis von Flüssigsorption
Saisonale Wärmespeicherung auf Basis eines
flüssigen Sorptionsmittels
Von Benjamin Fumey
und Robert Weber*
Thermische Speicher basierend auf
dem Sorptionsprinzip haben das
Potenzial zu einer hohen volumetrischen
Speicherkapazität. Sie leiden nicht unter
stetigem Wärmeverlust und haben eine
deutlich höhere Formfreiheit als
herkömmliche Wasserspeicher. Somit
besteht die Möglichkeit, einen saisonalen
thermischen Speicher mit bis zu 100%
solarem Deckungsgrad für Gebäudewärme und Brauchwarmwasser zu
entwickeln.
* Benjamin Fumey und Robert Weber
sind wissenschaftliche Mitarbeiter bei
EMPA, Material Science and Technology
([email protected], [email protected])
In der Sorptionswärmespeicherung wird Energie im Sorptionsmedium
durch die Trennung von Sorbent (absorbierendes Material) und Sorbat (aufgenommener Stoff bei einer Sorption) gespeichert [1, 2]. Dabei wird die
Energie nicht als sensible Wärme gespeichert, sondern als ein Potential, mit
welchem Wärme zurückgewonnen wird. Der an der Empa unter Entwicklung
stehende Sorptionswärmespeicher funktioniert ähnlich einer Absorptionswärmepumpe, mit einem zusätzlichen Speicher für das flüssige Sorptionsmedium [3]. Das verwendete Sorptionsmedium ist Natronlauge, das Sorbat
ist Wasser. Diese Art Speicher benötigt keine thermische Isolation und verliert auch keine Energie durch thermische Verluste während der Speicherdauer. Die Verluste entstehen lediglich beim Lade- und Entladevorgang.
Somit zeigt dieses Verfahren ein hohes Potential für saisonale Wärmespeicherung.
Anhand der Abbildungen 2–4 soll das Funktionsprinzip erklärt werden. Im
Ladeprozess (Wärmespeicherprozess) wird das Sorptionsmedium erwärmt, wobei sich das Sorbat vom Sorbent durch Verdampfung trennt. Das
abgetrennte Sorbat wird separat kondensiert und die Kondensationswärme
der Umgebung (z. B. Erdsonde) abgegeben.
Sorbent und Sorbat werden in flüssigem Zustand in separaten Behälter gespeichert. Solange ein Vermischen der zwei Substanzen verhindert wird, entstehen keine Verluste während der Speicherdauer.
Im Entladeprozess (Wärmeabgabeprozess) wird Sorbat mittels einer Niedertemperaturquelle, wie sie eine Erdsonde darstellt, verdampft. Der Sorbatdampf wird wiederum vom Sorbent absorbiert und die Verdampfungsental-
Wasserdampf
Erdsonde
Wärmesenke
Wässrige
Natronlauge
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Wasser
t Abbildung 2
Illustration des Ladevorgangs.
Durch solare Wärme wird Wasser
(Sorbat) aus der wässrigen Natronlauge (Sorbent) verdampft. Der
Wasserdampf wird wiederum kondensiert und die Wärme dem Erdreich mittels Erdsonde abgegeben.
Konzentrierte
Natronlauge
Wasser
t Abbildung 3
Illustration des
Speichersystems im
geladenen Zustand.
Das Vermischen von
konzentrierter
Natronlauge und Wasser wird verhindert.
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Solarthermie
Wasserdampf
Warmwasser
Konzentrierte
Natronlauge
Wasser
Erdsonde
Wärmequelle
p Abbildung 4
Illustration des Entladevorgangs. Mittels Erdsondenwärme wird Wasser bei tiefer Temperatur verdampft.
Dieser Wasserdampf wird von der Natronlauge absorbiert
wobei die Verdampfungsenthalpie freigegeben wird.
Diese Wärme kann für Gebäudewärme oder zur
Aufbereitung von Warmwasser verwendet werden.
pie wird freigegeben. Durch die hohe Affinität vom Sorbent zum
Sorbat wird Wärme akkumuliert, was die Temperatur ansteigen
lässt. Dies wiederum ist die typische Funktionsweise einer chemisch angetriebenen Wärmepumpe (Sorptionswärmepumpe).
Der Speicher wird somit im Sommer thermisch geladen und
kann im Winter mit geringem Elektrizitätsverbrauch nutzbare
Wärme abgeben.
Die reversible chemische Reaktion von Natronlauge und Wasser
kann folgendermaßen dargestellt werden:
NaOH ´ (m+n) H2O + heat « NaOH ´ mH2O + n H2O
Speicherleistung
Um die Speicherleistung zu charakterisieren, sind zwei Hauptparameter von Interesse: Die Speicherentladetemperatur und die
Speicherkapazität. Da der Sorptionsspeicher als Wärmepumpe
funktioniert, sind diese Parameter an gewisse Bedingungen gekoppelt, z. B. die Laugenkonzentration im geladenen Zustand,
die Temperatur der Erdsonde und die Temperatur des aufzuheizenden Heizwassers (z. B. Heizungsrücklauf). Diese Bedingungen können aber nicht frei gewählt werden, sondern sie sind an
physikalische Grenzen gebunden. Die Entladetemperatur wird
bestimmt durch die Konzentration der Natronlauge und die Erdsondentemperatur. Mit dem Wasser aus der Erdsonde wird das
beim Ladeprozess kondensierte Wasser bei der Temperatur
TEout verdampft. Aus dem Diagramm in Abbildung 5 ist ersichtlich, dass die zu erwartende Entladetemperatur von der Höhe der
Verdampfungstemperatur TEout abhängig ist. So ist z. B. bei einer Verdampfungstemperatur von 10°C und einer Laugenkonzentration von 50% mit einer Entladetemperatur von 48°C zu
rechnen.
Da die Natronlauge bei Konzentrationen oberhalb von 50%
stark zur Kristallisation neigt [4], werden höhere Konzentrationen vermieden. Die Speicherkapazität ist direkt abhängig von
der Natronlaugenkonzentration im geladenen Zustand, der Verdampfungstemperatur TEout und der Entladetemperatur (z. B.
Heizungsrücklauf). Grundsätzlich steigt die Energiedichte, je
stärker die Lauge beim Entladeprozess verdünnt werden kann.
Der Verdünnungsgrad wiederum ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur TEout und
der Entladetemperatur. Liegt diese Temperaturdifferenz bei 7°C
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Entladetemperatur [°C]
90
TEout = 0°C
80
TEout = 10°C
TEout = 20°C
TEout = 30°C
70
60
50
40
30
20
10
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Natronlaugenkonzentration [kg NaOH / kg Lösung]
0.6
p Abbildung 5
Diagramm der Entladetemperatur bezogen auf die Verdampfungstemperatur und die Laugenkonzentration.
Steigt die Verdampfungstemperatur TEout, so steigt
auch die Entladetemperatur.
so kann die Lauge bis auf 25% Konzentration verdünnt werden.
Bei ansteigender Temperaturdifferenz sinkt allerdings der Verdünnungsgrad und somit auch die Speicherkapazität. Bei der
Verdünnung auf 25% wird eine theoretische Energiedichte, bezogen auf das Volumen der verdünnten Lauge, von 440 Wh /l erreicht (siehe Abbildung 6). Das ist erheblich höher als bei einem
sensiblen Warmwasserspeicher. Es muss aber berücksichtigt
werden, dass diese Angaben sich rein auf das Speichermedium
beziehen und kein Volumen, das durch Systemkomponenten benötigt wird, beinhaltet. Auch muss der Verlust durch die Umwandlung berücksichtigt werden. Somit wird ein Sorptionssystem eine geringere Energiedichte aufweisen als 440 Wh /l, sie
wird aber weiterhin höher sein als die Kapazität eines Warmwasserspeichers, die bei einem DT von 65°C etwa 76 Wh /l beträgt.
Nicht zu vernachlässigen ist auch der markante Vorteil des verlustlosen Speicherns.
Volumetrische Energiedichte [Wh/l]
500
440 Wh / l
Verdünnung von 50 % Konzentration auf 25 %
400
300
200
76 Wh / l
Warmwasser
DT = 65K
100
0
0.2
0.3
0.4
0.5
Natronlaugenkonzentration [kg NaOH / kg Lösung]
p Abbildung 6
Diagramm der Energiedichte bezogen auf die Laugenkonzentration. Bei sinkender Laugenkonzentration
im entladenen Zustand steigt die Energiedichte.
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0.6
Steuerungseinheit
Labview®
Sorptionsspeicher
Anordnung
Sorptionsreaktionszone
Sensible
Speicher
p Abbildung 7
Rechts: CAD-Bild vom gebauten hybriden Prototyp,
oben: Bild vom gebauten hybriden Prototyp
Solar- und
WarmwasserPumpen
Prototypenbau
Der gebaute Speicherprototyp besteht aus zwei Hauptkomponenten, der Reaktionszone und den Speichertanks. Zahnradpumpen werden verwendet um den Medientransport zwischen Reaktionszone und Tanks zu ermöglichen. Die thermische Leistung
des Speichers ist somit von der Größe der Reaktionsfläche bestimmt. Die Speicherkapazität hingegen ist durch das Volumen
des Speichermediums definiert.
Ein hohes Maß an Dichtigkeit zur Umgebung ist erforderlich.
Das System funktioniert unter Wasserdampfatmosphäre, somit
müssen alle Fremdgase wie Stickstoff, Sauerstoff und besonders
Kohlendioxid entfernt werden.
Die Reaktionszone besteht aus zwei aneinandergebauten Behältern. Behälter 1 (in Abbildung 8 links) dient als Absorber und
Desorber. Behälter 2 (in Abbildung 8 rechts) dient als Kondensator und Verdampfer. Beide Reaktionseinheiten beinhalten einen
Massen- / Wärmetauscher. Diese sind als Rohrbündel aufgebaut, wobei das wärmetragende Medium durch die Rohre gepumpt wird und das Sorptionsmedium als Fallfilm über die Rohre geführt wird. Behälter 1 ist immer in Kontakt mit dem Sorbent
und Behälter 2 kondensiert oder verdampft das Sorbat. Der Massen- / Wärmetauscher in Behälter 2 ist deutlich grösser aufgebaut um eine ausreichende Verdampfungsleistung bei tiefen
Erdsondentemperaturen zu ermöglichen.
Der Prototyp wird als Hybridsystem aufgebaut. Damit können
die Vorteile der sensiblen Wärmespeicherung und der Sorptionsspeicherung optimal genutzt werden. Für die Tagesspeicherung
werden Warmwasserspeicher verwendet. Diese sind vorteilhaft
durch ihren einfachen Aufbau und ihre tiefen Lade- und Entladeverluste. Jedoch würden hohe Verluste bei langer Speicherdauer
entstehen. Somit wird zu diesem Zweck das Sorptionsspeichersystem eingesetzt. Abbildung 7 zeigt den Systemaufbau; auf
der linken Seite ist der Sorptionsspeicher und auf der rechten Seite der sensible Speicher aufgebaut. In der Praxis werden immer
zuerst die sensiblen Speicher geladen und erst danach der Sorptionsspeicher. Der Prototyp ist in einen Container eingebaut, bei
dem Solarkollektoren auf dem Containerdach montiert sind.
Das gesamte System ist bereits montiert und wird nun in Betrieb
genommen. Dabei entstehen gerade durch den Hybridaufbau
neue Herausforderungen an die Systemsteuerung. Fragen bezüglich des optimalen Verhältnisses zwischen der sensiblen Speicherkapazität und der Sorptionsspeicherkapazität sind aber
noch offen. Eine optimale Auslegung ist abhängig vom Klima,
der solaren Einstrahlung, der Gebäudelast und vom Anwenderverhalten. Dazu werden nun parallel zum Betrieb der Testanlage
Simulationen durchgeführt.
Die Sorptionswärmespeicherung hat das Potential, eine neue Dimension der Wärmespeicherung zu ermöglichen. In der aufgebauten Testanlage wird dieses Potential getestet.
Literatur
u Abbildung 8
CAD-Bild von der gebauten Reaktionszone.
Die Reaktionszone wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Solartechnik SPF
der Fachhochschule Rapperswil entwickelt und gebaut.
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[1] Edem N’Tsoukpoe K. et al., A review on long-term sorption solar
energy storage, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13
(2009) 2385–2396.
[2] Hadorn J. C. et al., Thermal energy storage for solar and low energy
buildings - State of the art, IEA SHC Task 32 ISBN:
84-8409-877-X, 200
[3] Weber R., Dorer V., Long-term heat storage with NaOH. Vacuum
82 (2007), 708-716.
[4] Liquid Caustic Soda – Solubility, PCH-1110-0007-W-EN, Solvay
Chemicals International, Issue 1 October 2005.
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