Perspektiven zur Achema

Energiespeicher für die Prozessindustrie

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Chemie und Verfahrenstechnik spielen mit Blick auf die Energieversorgung eine Doppelrolle: Zum einen sind sie Lösungsanbieter und entwickeln die Materialien für Batterien, thermische oder chemische Energiespeicher. Zum anderen nutzen sie selbst Speicherkonzepte zur Optimierung des Prozesswärmemanagements. Grund genug, auf der Achema 2012 „Innovative Energieträger und -speicher“ zu einem Schwerpunktthema zu machen.

Die Autorin: Dr. Kathrin Rübberdt Leiterin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit und Biotechnologie, Dechema

Spätestens seit in Deutschland die Energiewende ausgerufen wurde, ist das Thema Energiespeicherung in aller Munde. Ging es bisher vor allem um die Speicherung elektrischer Energie speziell für die Elektromobilität, steht in jüngerer Zeit durch die Umstellung auf erneuerbare Energien zunehmend die Sicherung der Netzstabilität im Mittelpunkt. Die britische Energy Storage Association hat eine Übersicht zusammengestellt ( electricitystorage.org), die einen ersten Eindruck davon vermittelt, welche Vielfalt an Technologien zur Verfügung steht und welche Parameter für die Auswahl einer geeigneten Lösung ausschlaggebend sein können .
Von der breiten Auswahl an zur Verfügung stehenden Technologien stehen für Elektrofahrzeuge vor allem Li-Ionen-Batterien im Fokus, an deren Weiterentwicklung intensiv gearbeitet wird. Zu den Netzspeichern läuft derzeit eine breite Diskussion, die sich vor allem auf mechanische (Pumpspeicherwerke, Druckluftspeicher) und elektrische Energiespeicher wie z. B. Redox-Flux-Systeme konzentriert.
Dagegen führt eine Alternative zur elektrischen Speicherung bisher eher ein Schattendasein: Die Speicherung von Wärme. Bei solarthermischen Kraftwerken kommt sie zwar schon vereinzelt für den Tag-/Nacht-Ausgleich zum Einsatz. Doch auch an anderen Stellen fällt Energie in Form von Wärme an – und wird auch wieder in Form von Wärme benötigt. Nach Angaben des Fraunhofer ISI benötigt beispielsweise die Industrie insgesamt rund 30 % des Gesamtenergieverbrauchs in Deutschland. Vor allem in der chemischen Industrie, aber auch bei vielen anderen industriellen Prozessen geht es dabei im Wesentlichen um Energie in Form von Prozesswärme. Was liegt also näher, als auf die verlustbehaftete Konversion in andere Energieformen zu verzichten und auf thermische Speicher zu setzen?
Randbedingungen beachten
Wärmespeicher ist nicht gleich Wärmespeicher; eine ganze Palette an Basistechnologien mit vielfältigen Parametern bietet sich je nach spezifischer Anforderung an. Zu den wesentlichen Auswahlfaktoren zählen unter anderem die Kapazität des Speichers, Lade- und Entladezeiten, die Speicherdauer, der Wirkungsgrad, die Lebensdauer des Speichers bzw. die Zahl der möglichen Lade- und Entladezyklen und die Kosten. Wesentlich sind außerdem Fragen der Systemintegration mit Blick auf Übertragungsmedien, Randbedingungen der Ladung und Entladung wie Temperatur und Druck und nicht zu vergessen der Platzbedarf.
Prinzipiell lassen sich thermische Energiespeicher in vier Kategorien einteilen. Sensible Wärmespeicher nehmen Wärme auf, indem sie selbst ihre Temperatur verändern: Die Wärmeübertragung erfolgt einstufig auf ein geeignetes Trägermedium, im einfachsten Fall Wasser; in technischen Anwendungen kommen allerdings häufig Medien zum Einsatz, die auf die geforderten Eigenschaften zugeschnitten sind, beispielsweise Wärmeträgeröle, Nitratschmelzen in solarthermischen Kraftwerken, ionische Flüssigkeiten oder keramische Feststoffe. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt arbeitet derzeit an Feststoffspeichern, die zum einen kostengünstig sind und zum anderen mit unterschiedlichen Wärmeträgermedien – Thermoöl, Dampf oder Flüssigsalz – betrieben werden können, sodass sie für sehr unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Der eigentliche Wärmespeicher ist der Feststoff; das Trägermedium kann – zum Beispiel in Form von Dampf – direkt aus dem Prozess kommen. Gegenüber Salzen haben diese Feststoffspeicher den großen Vorteil, dass sie in einem weiten Temperaturbereich arbeiten können.
Sogenannte Phase Change Materials (PCMs) sind dagegen Latentwärmespeicher; sie nehmen die Wärme auf und wechseln in einen anderen Aggregatzustand, ohne dass sich ihre Temperatur dabei ändert. In der Gebäudetechnik sind Latentwärmespeicher auf Grundlage von Paraffin im Einsatz. Das größte Problem beim Einsatz von Latentwärmespeichern ist die Wärmeleitfähigkeit der Feststoffe, die die Ladezeiten und -temperaturen wesentlich bestimmt. Als Ausweg können Mikroverkapselungen dienen, die die Übertragungsoberfläche erheblich erhöhen, oder in industriellen Anwendungen Makroverkapselungen, bei denen Stahl- oder Graphitrippen durch den Speicher geführt werden.
Hoffnungsträger Adsorptionsspeicher
An der Grenze zwischen Wärmespeicherung und chemischer Speicherung stehen Adsorptionsspeicher, auf die sich derzeit viele Hoffnungen richten. Bei der Adsorption von Gasmolekülen an Oberflächen wird Wärme freigesetzt; durch Wärmezufuhr können die Moleküle umgekehrt wieder von der Oberfläche entfernt werden. Zum Einsatz kommen bisher vor allem Zeolithe, die auch schon technische Anwendung finden. Doch laufen derzeit zahlreiche Vorhaben zur Entwicklung von neuen, funktionalisierten Materialien mit optimierten Strukturen und Eigenschaften.
Noch einen Schritt weiter geht die chemische Speicherung. Hierzu zählt nicht nur die Erzeugung von Wasserstoff oder Methan, sondern eine ganze Reihe von reversiblen Reaktionen, von denen die bekannteste die Hydratbildung bei Salzen ist. Den Vorteilen der Langlebigkeit und Transportfähigkeit der Speichermedien stehen die technischen Schwierigkeiten gegenüber, die sich unter anderem durch die Volumen- und damit Druckänderung bei der Reaktion ergeben. Neueste Entwicklungen basieren auf Kompositmaterialien aus Salzen und Zeolithen oder Bentonit. Sie vereinen die Vorteile der beiden Systeme, nämlich die hohe Speicherdichte von Salzen mit der Transportfähigkeit und geringen Agglomerationsneigung von Zeolithen oder passiven Trägermaterialien. Die höhere Oberfläche der Komposite führt außerdem zu schnelleren Lade- und Entladezeiten.
Neue Horizonte öffnen
Zunächst mag die technische Umsetzung von Wärmespeicherung recht einfach erscheinen. Doch die Menge der möglichen Stellschrauben erfordert einerseits eine genaue Justierung, eröffnet aber andererseits eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Wärmespeicherung exakt an den Bedarf anzupassen.
Neben der Basistechnologie – ob Latentspeicher, Adsorption oder chemische Speicherung – liegen zusätzlich im Apparate- und Systemdesign vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten: Ein- oder mehrstufige Wärmeübertragung, die Nutzung von Druckdifferenzen bei entkoppelten Speicherprozessen, die Optimierung von Kapazitäten und Lade-/Entladezeiten durch Variationen in der Schüttung und Durchströmung oder der Einsatz von bewegten Reaktorbetten, der Fantasie von Forschern und Entwicklern sind kaum Grenzen gesetzt. Entsprechend hoch ist der F&E-Bedarf in diesem Bereich derzeit noch; doch die Anstrengungen lohnen sich, denn sie eröffnen über die in vielen Fällen schon ausgereizten Möglichkeiten der Energieeinsparung hinaus neue Horizonte für das Energiemanagement.
prozesstechnik-online.de/cav0212421

Sonderschau in Halle 9.2

Energiespeicher

Der Achema-Themenschwerpunkt „Innovative Energieträger und -speicher“ konzentriert sich in der Sonderschau in Halle 9.2: Konzepte für die effiziente Speicherung und den verlustarmen Transport von Energie; chemische Energiespeicherung, solarchemische Prozesse; Werkstoffe und Anwendungen der Photovoltaik; innovative Batteriekonzepte und Superkondensatoren; Fortschritte in der Brennstoffzellentechnologie; Konzepte zur “e-Mobility“, Wasserstoffwirtschaft.
Auch im Kongress- und Begleitprogramm sowie in anderen Ausstellungsgruppen nimmt das Thema Energie breiten Raum ein. Mehr unter www.achema.de.
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