20.02.2023

Kostengünstige Industriewärme-Speicher mit Füllkörpern

Neue Technologie in einem Speicher zur Abwärmenutzung in der Industrie erprobt.

Bei einer Vielzahl von Industrie­prozessen entsteht Abwärme, die oft ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird. Mit den steigenden Energiepreisen wird die Speicherung und Nutzung von Abwärme als Ersatz für fossile Energieträger für Unternehmen immer attraktiver. Im Projekt Fenopthes, das vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert wurde, hat das Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme mit Industrie­partnern kostengünstige Füllkörper für thermische Speicher entwickelt und optimiert. Sie ersetzen teure Hoch­temperatur­fluide. Die neue Technologie wurde in einem Speicher zur Abwärme­nutzung in einem Industrie­unternehmen erprobt.

Abb.: In Auslagerungstest wurde die Kompatibilität zwischen Füllkörpern und...
Abb.: In Auslagerungstest wurde die Kompatibilität zwischen Füllkörpern und verschiedenen Fluide überprüft. Die unterschiedlichen Geometrien dienen zur Überprüfung der mechanischen Stabilität vor und nach den Tests. (Bild: Fh.-ISE)

In Hochtemperatur-Speichern kommen typischerweise Thermalöle und Salzschmelzen als Arbeitsfluide zum Einsatz. Setzt man Füllkörper als Speichermedium in thermischen Speichern ein, lässt sich die Füllmenge an diesen teuren Speichermedien reduzieren. Zudem werden andere kosten­günstige gasförmige Arbeitsfluide wie Luft damit möglich, die Temperaturen bis 1000°C und mehr zulassen. Beim Einsatz von Luft als Wärmeträger­fluid, die selbst eine sehr geringe Wärmekapazität aufweist, wird die Energie in der Speichermasse der Füllkörper gespeichert.

„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. Im Projekt wurden keramische Füllkörper untersucht, die aus einem kostengünstigen Recycling­material, Phosphatbinder und Additiven bestehen. Durch das Ersetzen teurer Fluide durch Füllkörper mit der gleichen oder im besten Fall einer höheren thermischen Kapazität ergibt sich ein Kosten­einspar­potenzial von etwa dreißig Prozent.

Die Füllkörper wurden in unterschied­lichen Formen hergestellt, um den Einfluss der Geometrie auf die thermische Effizienz des Speichers zu untersuchen. Zunächst wurde die Kompatibilität der Füllkörper mit unterschied­lichen Hoch­temperatur­medien anhand von Auslagerungs­versuchen untersucht. Anschließend wurden Füllkörper und Fluide chemisch analysiert und eine Prüfung der mechanischen Stabilität der Füllkörper durchgeführt.

Um die unterschiedlichen Füllkörper-Konfigurationen 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 Füllkörper-Konfigurationen unterschiedliche Temperaturprofile und zeitliche Verläufe bei zyklischer Be- und Entladung der Speicher zeigen. Eine ausgewählte Konfiguration der Füllkörper wurde zusätzlich in einem Salzschmelze-Speicher des Fraunhofer-ISE experimentell analysiert.

Ein konkreter Anwendungsfall in einem Industrie­unternehmen zeigt, dass mit der Speichertechnologie die Energie­effizienz industrieller Prozesse durch die zeitlich entkoppelte Nutzbar­machung rückge­wonnener Wärme verbessert werden kann. Bei der Comet Schleifscheiben GmbH wurde ein Demonstrator eines Luft-Speichers mit Füllkörpern getestet. Dieser speichert die Abwärme aus dem Brand keramischer Schleifscheiben, bevor sie wieder in den Prozess integriert wird. Die Wärme wurde dabei durch einen in einem Kamin integrierten Wärmetauscher rückgewonnen. Eine Heraus­forderung war dabei das Temperatur­niveau der Abwärme: Die Abluft wird herkömm­licher­weise mit Umgebungsluft verdünnt und damit vor Eintritt in den Kamin abgekühlt, was es schwer macht, hohe Temperaturen zu erreichen. Die Entscheidung, welcher Speicher die beste Lösung ist, hängt von den jeweils konkreten Gegebenheiten des Produktions­prozesses ab.

Weiteren Forschungs­bedarf sieht das Fenopthes-Team in der wissen­schaft­lichen Begleitung weiterer größerer Demonstratoren. Für die Wärmewende seien Hochtemperatur-Speicher­technologien und Speichersysteme ein wichtiges Thema. Nach Ansicht der Forscher werden mehr Demonstratoren benötigt, die zeigen, wie sich die Speicher im Großmaßstab umsetzen lassen.

Fh.-ISE / RK

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