Forscher:innen des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) haben zusammen mit Industriepartnern einen Wärmespeicher für Industrieunternehmen entwickelt, der bei sinkenden Kosten mehr Wärme aufnehmen kann. Dazu haben die Forscher:innen die Thermalöle oder Schmelzsalze, die in den Wärmespeichern bisher in der Regel als Trägermedium zum Einsatz kommen, durch Festkörper ersetzt.
Arbeitstemperaturen bis 1.000 Grad Celsius
Diese wurden vom Projektpartner Kraftblock, einem Wärmespeicherhersteller aus dem saarländischen Sulzbach, entwickelt. Sie bestehen aus einem keramischen Recyclingmaterial, Phosphatbindern und Additiven, wodurch sie sehr kostengünstig angeboten werden können. Die Füllkörper ersetzen im Speicher die bisherigen teuren Fluide und haben zudem noch eine höhere thermische Kapazität. Denn während die Thermalöle und Salzschmelzen bei Temperaturen von 250 bis 600 Grad Celsius arbeiten, erlauben die keramischen Füllkörper in Kombination mit kostengünstigen gasförmigen Arbeitsfluiden wie Luft Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius.
Verschiedene Geometrien untersucht
Durch diese beiden Vorteile sinken die Speicherkosten um bis zu 30 Prozent, wie die Freiburger Forscher:innen ermittelt haben. „Im Projekt haben wir untersucht, welche Form, Größe und Eigenschaften wie Dichte und Wärmeleitfähigkeit solche Füllkörper haben sollten. Ziele waren ein möglichst guter Wärmetransport und eine möglichst kompakte Schüttung im Speicher“, erklärt Projektleiter Julius Weiss vom Fraunhofer ISE. Deshalb wurden im Forschungsprojekt Füllkörper in unterschiedlichen Formen und Größen eingesetzt, um den Einfluss der Geometrie auf die thermische Effizienz des Speichers zu untersuchen.
Mechanische Stabilität getestet
Im ersten Schritt haben die Forscher:innen die Kompatibilität der Füllkörper mit unterschiedlichen Hochtemperaturmedien wie Thermalöle oder Salzschmelzen anhand von Auslagerungsversuchen untersucht. Anschließend wurden Füllkörper und Fluide chemisch analysiert. Zudem wurden die Füllkörper hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität untersucht. Um die unterschiedlichen Füllkörperkonfigurationen zu charakterisieren, wurden sie in einem Teststand mit Wasser umströmt, das sich unter bestimmten Randbedingungen physikalisch wie eine Salzschmelze verhält. Das Projektteam beobachtete dabei, dass unterschiedliche Füllkörperkonfigurationen unterschiedliche Temperaturprofile und zeitliche Verläufe bei zyklischer Be- und Entladung der Speicher zeigen. Eine ausgewählte Konfiguration der Füllkörper wurde zusätzlich in einem Salzschmelzespeicher des Fraunhofer ISE experimentell vermessen.
Luft umströmt die Füllkörper
Danach ging es in die Anwendung bei einem Industriepartner. Dazu haben die Forscher:innen bei Comet Schleifscheiben in St. Ingbert im Saarland einen Abwärmespeicher mit den Füllkörpern bestückt. Hier wurde dann die Abwärme eingelagert, die beim Brand keramischer Schleifscheiben entsteht. Diese wurde über einen Wärmetauscher gewonnen, der im Kamin des Unternehmens installiert ist. Als Arbeitsfluid hat Luft die keramischen Füllkörper umströmt, um die Abwärme wider nutzbar zu machen.
Konkrete Gegebenheiten vor Ort einbeziehen
Eine Herausforderung sei dabei das Temperaturniveau der Abwärme gewesen, erklären die Projektpartner. Denn die Abluft wird normalerweise mit Umgebungsluft verdünnt. Dadurch kühlt sie sich ab, bevor sie in den Kamin strömt. Dadurch wird es schwieriger, hohe Temperaturen zu erreichen, die bei der Abwärmenutzung angestrebt wurden. Deshalb hänge es von den jeweiligen konkreten Gegebenheiten im Produktionsprozess ab, welcher Wärmespeicher die beste Lösung sei, beschreiben die Projektpartner die Ergebnisse ihre Feldversuchs. Variablen sind hier das Temperaturniveau, die Volumenströme, die Flexibilität bei der Reintegration der Wärme, die prognostizierte Zyklenzahl sowie der zur Verfügung stehende Platz.
Im Großmaßstab umsetzen
Die Projektpartner sehen für die Zwischenspeicherung und Nutzung industrieller Abwärme jede Menge Anwendungsmöglichkeiten. So seien Prozesse in einem breiten Temperaturbereich zwischen 150 und 900 Grad Celsius dafür geeignet, von der Papier-, Lebensmittel-, oder Chemieindustrie bis zur Dampferzeugung. „Für die Wärmewende ist die Speicherfrage ein wichtiges Thema – wir möchten zeigen, dass sich die Speicher auch im Großmaßstab umsetzen lassen“, umreißt Thomas Fluri, Gruppenleiter Klimaneutrale Industrieprozesse und Hochtemperaturspeicher am Fraunhofer ISE, den weiteren Entwicklungsbedarf. „Nicht nur die Rückgewinnung von Wärme ist für die Industrie spannend. Auch das Thema Power-to-Heat wird immer wichtiger, da immer mehr Prozesse elektrifiziert werden“, betont er. „So kann Wärme in Zeiten günstiger Strompreise erzeugt und für den ganzen Tag verfügbar gemacht werden. Damit lässt sich eine Lastverschiebung aus Spitzen- in Randzeiten erreichen, was den Unternehmen nicht nur Kosten spart, sondern auch die Stromnetze entlastet.“ (su)
