Zeolithe als Energiespeicher.
Wärmespeicherung in einem Feststoff. Wie thermische Speicher auf Zeolith-Basis funktionieren, wo sie aktuell stehen und wie wir Zeolithe von Labormengen bis hin zum Pilotprojekt bereitstellen.
Warum sind Zeolithe interessant für die Energiespeicherung.
Der größte Teil unserer Energie wird für Wärme verwendet – und ein großer Teil dieser Wärme geht verloren, sobald sie produziert wird. Abwärme von Öfen, Biogas-Motoren, Verbrennungsanlagen, Datenzentren oder anderen Industrieanlagen geht oft durch den Schornstein, weil sie in diesem Moment niemand benötigt. Zeolith-basierte Energiespeicher können eine Möglichkeit sein, sie effektiv zu nutzen.
Oft als Trockenmittel in industriellen Trocknungsprozessen verwendet, sind Zeolithe (auch bekannt als Molekularsiebe) hochporöse Materialien, die Wassermoleküle adsorbieren. Diese Moleküle haften an der inneren Oberflächen des Materials – ähnlich wie winzige Magnete – und geben dabei Wärme ab. Für alle, die im Chemieunterricht aufgepasst haben: das ist ein exothermer Prozess.
Diese Freisetzung von Wärme während der Adsorption ist der Schlüssel zur Nutzung von Zeolith als Grundlage für die thermische Energiespeicherung.
Wie es funktioniert.
1
Aufladen
Zeolithe binden von Natur aus Wasser. Mit heißer Luft oder Dampf wird dieses aus den Poren des Zeoliths entfernt, wodurch das Material getrocknet wird. Die Wärme, die in diesen „trockenen Zustand“ eingebracht wird, wird anschließend als chemisches Potenzial gespeichert.
2
Speichern
Solange der Zeolith trocken bleibt, bleibt auch die Energie. Es ist keine Isolierung erforderlich und es findet keine Selbstentladung statt – selbst nach längeren Zeiträumen.
3
Entladen
Wenn Wärme benötigt wird, fließt Wasserdampf durch das Zeolith. Die Wassermoleküle binden sich wieder an das Zeolith und die gespeicherte Wärme wird freigesetzt.
Warum Entwickler sich mit Zeolithen befassen.
Etwa drei bis viermal die Wärme von Wasser pro Volumen, sodass die Speichereinheiten viel kleiner werden.
Gespeicherte Wärme geht nicht verloren, was eine Speicherung über Wochen bis Monate realistisch macht. Dies ist der Hauptvorteil gegenüber Wassertanks und Phasenwechselmaterialien.
Geladene Behälter können von der Abwärmequelle zu einem Verbraucher anderswo transportiert werden. Dies wurde mit einer Müllverbrennungsanlage und einer Mühle in Deutschland demonstriert.
Der gleiche Adsorptionseffekt wird für Speicherung, Wärmepumpen und wärmegetriebenes Kühlen verwendet.
Wo die Technologie steht.
Zeolith-Wärmespeicher funktionieren, stecken aber noch in einem frühen Stadium.
Aktuelle Belege stammen aus Forschungsprojekten, etwa einer 150-kWh-Anlage am Fraunhofer IKTS, sowie mobilen Containern im Rahmen eines deutschen Industriepilotprojekts, bei denen ein Gesamtwirkungsgrad von 78 % erreicht wurde. Die saisonale Solarspeicherung wurde zudem gemeinsam mit Vaillant im EU-Projekt COMTES erprobt.
Es bleiben weiterhin offene Fragen: Systemkosten, Wärmeübertragung im Bett und Zyklusstabilität über Tausende von Zyklen. Welches Material in den Reaktor kommt, ist einer der größten Hebel für alle drei.
Trotzdem ist das Potenzial enorm. Da der Energiebedarf, insbesondere in energieintensiven Einrichtungen wie Datenzentren, weiter steigt, könnten thermische Energiespeicher dazu beitragen, Abwärme aufzufangen und wiederzuverwenden. So können industrielle Prozesse energieeffizienter gestaltet werden.
Was für eine Art von Zeolith wird benötigt?
Für die Speicherung wird ein Zeolith nach anderen Kriterien beurteilt als bei der konventionellen Adsorption:
Nutzbare Wasseraufnahme innerhalb Ihres tatsächlichen Temperaturfensters
Wärme der Adsorption pro Kilogramm
Regenerationstemperatur, die entscheidet, welche Wärmequelle es aufladen kann
Zyklusstabilität unter wiederholter Hydratation und Dehydration
Form und Größe (Perlen, Pellets), da der Druckabfall und die Wärmeübertragung im Bett davon abhängen
Mechanische Festigkeit, um Abrieb und Staub über viele Zyklen zu vermeiden
Bindemittel oder bindemittelfrei?
Die meisten industriell verwendeten Zeolithe enthalten Bindemittel. Sie wirken wie Kleber, um die Kristallstrukturen zusammenzuhalten, wenn sie zu Kugeln oder Pellets geformt werden. Im Austausch wird eine kleine Menge Adsorptionskapazität aufgegeben, da die Bindemittel in der Regel inaktive Komponenten sind.
Bindemittelfreie Zeolithe sind dagegen strukturell weniger stabil, bieten jedoch verbesserte Adsorptionseigenschaften und höhere Arbeitskapazitäten.
Höhere Kapazität = mehr gespeicherte Energie
GIEBEL Zeolithe.
Produkt bereits bekannt?
Unterstützung bei Auswahl oder Mengenbedarf?
FAQ - Ihre Fragen, beantwortet.
Forschungsgruppen berichten von ungefähr drei bis viermal so viel Wärme pro Volumen. Das bedeutet eine viel kleinere Speichereinheit für die gleiche Energie. Die genaue Zahl hängt vom Zeolith, den Temperaturen und dem Systemdesign ab.
Nein, nicht im üblichen Sinne. Die Wärme wird physikalisch festgehalten, sodass ein trockener Zeolith seine Energie behält, solange er von Feuchtigkeit ferngehalten wird. Laut Studien sind diese Systeme in der Lage, Wärme über Monate zu speichern, ohne dass es zu einem signifikanten Verlust der Grundeffizienz kommt.*
*Fraunhofer Institute, Thermal storage for the energy transition (2021)
Es hängt vom Zeolith und dem System ab. Testanlagen haben Abwärme und Solarwärme genutzt. Einige Projekte arbeiten daran, mit Niedertemperaturwärme unter 100 °C aufzuladen.
Noch nicht im großen Maßstab. Es gibt funktionierende Anlagen, die getestet werden, aber Faktoren wie Kosten, Wärmeübertragung im Bett und langfristige Zyklusstabilität werden noch weiterentwickelt.
Häufige Kandidaten in veröffentlichten Arbeiten sind 13X und NaY-Typen. Die Wahl hängt von Ihrem Temperaturfenster, der Zyklusanzahl und dem Reaktordesign ab. Wir können Proben bereitstellen, damit Sie sie an Ihrer eigenen Anlage testen können.