Stoffsysteme und Verfahrensoptionen zur thermochemisch-absorptiven Wärmespeicherung

Durch den zunehmenden Ausbau und die Integration von erneuerbaren Energiequellen in die Versorgungsstruktur ist die Implementierung von Speicherlösungen unabdingbar. Dadurch kann die natürliche Fluktuation des Angebots erneuerbarer Energiequellen ausgeglichen und darüber hinaus eine Steigerung der Energieeffizienz in Industrieprozessen erreicht werden. Da ca. 50% der Endenergie in Deutschland in Form von thermischer Energie (Kühlen, Heizen, Prozesswärme und -kälte) verbraucht werden existiert ein großes Potential durch den Einsatz von Wärmespeichern diese Effizienzsteigerung zu realisieren.

Kommerzielle Wärmespeicher, wie beispielsweise Warmwasserspeicher, basieren auf direkter Speicherung thermischer Energie durch die Erhöhung der Temperatur des Speichermaterials. Im Unterschied dazu speichern indirekte Wärmespeicher die vom Speicher verrichtete Arbeit – im Fall von Sorptionsspeichern als chemisches Potential. Dabei wird ein Stoffsystem aus mindestens 2 beteiligten Medien durch den Einsatz von Wärme reversibel getrennt (Desorption). Bei der Zusammenführung (Sorption) wird die gespeicherte Wärme wieder freigesetzt. Sorptionswärmespeicher bieten als Vorteile neben der theoretisch verlustfreien Speicherphase auch die Einsparung einer thermischen Isolierung und flexible Einspeicher- und Entladetemperaturen.

Geeignete Stoffsysteme besitzen daher eine große Enthalpiedifferenz zwischen den beiden Zuständen Absorbiert und Desorbiert. Als flüssige Systeme können wässrige Elektrolytlösungen, wie NaOH_(aq), LiCl_(aq) oder LiBr_(aq) verwendet werden. Während der Einspeicherung wird der Wasseranteil der Lösung thermisch verringert (Aufkonzentrierung). Die getrennten Medien Wasser und konzentrierte Elektrolyt-Lösung erwärmen sich beim Zusammenführen, d.h. bei der Verdünnung der Elektrolytlösung wieder und der Speicherzyklus kann von neuem beginnen.

Zur genauen Bestimmung der Leistungszahlen von Sorptionswärmespeichern ist eine präzise Kenntnis der Stoffdaten der eingesetzten Medien notwendig. Die Bestimmung der Enthalpiediagramme kann durch die Simultane Thermische Analyse (STA), bei der die Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) gleichzeitig mit einer Thermogravimetrischen Analyse (TGA) durchgeführt wird, sowie durch die isotherme Mischungskalorimetrie durchgeführt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Mischungskalorimeter aufgebaut, das die Untersuchung von korrosiven, flüssigen Stoffsystemen erlaubt. Durch Kenntnis der Wärmeentwicklung kann auf die Enthalpiedifferenz und damit über den Einsatz eines Stoffsystems in einem Sorptionswärmespeicher für ausgewählte thermische Anwendungen entschieden werden.