Energiespeicher

Die „Experts Group on Science in Energy“ der Internationalen Energieagentur, IEA, hat die Entwicklung effizienter und kostengünstiger Energiespeicher als die wichtigste Herausforderung zukünftiger F&E-Aktivitäten identifiziert. Vor allem zur Integration Erneuerbarer Energien und Steigerung der Energieeffizienz sind Energiespeicher unerlässlich.

Die Integration stark fluktuierender Energiequellen, wie Wind, Photovoltaik oder Solarthermie ist auf effiziente Speichertechnologien für elektrische und thermische Energie angewiesen. Zur Effizienzsteigerung in industriellen Prozessen oder Gebäuden ist vor allem die Speicherung von Wärme und Kälte von großer Bedeutung. Nicht zuletzt spielen elektrische Energiespeicher auch eine entscheidende Rolle bei der Elektromobilität. International ist das ZAE Bayern durch seine Expertise auf dem Gebiet der Energiespeicherung anerkannt.

Dies drückt sich auch in der starken Präsenz in verschiedenen Gremien der Internationalen Energieagentur IEA aus. Aufgrund der Tatsache, dass sich das ZAE Bayern seit seiner Gründung mit Energiespeicherthemen beschäftigt, werden diese in ihrer ganzen Breite von den Grundlagen bis zur Umsetzung begleitet.

Die Möglichkeiten der Energiespeicherung, die durch die Umwandlung von thermischer zu elektrischer Energie (z.B. beim Betrieb von solarthermischen Kraftwerken) und umgekehrt (z.B. Integration von Windstrom durch dezentrale thermische Energiespeicher), können dann durch das Know-how des ZAE Bayern im Bereich thermischer und elektrischer Speicher besonders kompetent bearbeitet werden. Ebenso können Fragen beantwortet werden, bei denen thermische und elektrische Systeme eine Rolle spielen, wie das thermische Management von Batterien.

Forschungsgebiete

Elektrische Energiespeicher

Im Bereich elektrischer und elektrochemischer Energiespeicher konzentrierten sich die Aktivitäten auf Supercaps und Redox-Flow-Batterien. In Zukunft sollen die Aktivitäten auf dem Gebiet elektrischer Energiespeicherung deutlich verstärkt werden. In einer engen Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für elektrische Energiespeichertechnik (TUM-EES) und dem Lehrstuhl für technische Elektrochemie (TUM-TEC) der Technische Universität München soll das Thema „Energieträgerbasierte elektrische Energiespeichersysteme“ mit einem Schwerpunkt auf stationären Systemen aufgebaut werden.

Energieträgerbasierte elektrische Energiespeichersysteme in stationären Anwendungen können einen Beitrag zur Integration Erneuerbarer Energie und zur Netzstabilität leisten. Am ZAE Bayern sollen die Komponentenentwicklung (z.B. Zellen/Elektroden für Redox-Flow-Systeme), Entwicklung der Systemtechnik und die Netzintegration bis hin zu Demonstrationsprojekten in Zusammenarbeit mit TUM-EES und TUM-TEC bearbeitet werden. Mit diesen Aktivitäten kann sich das ZAE Bayern mit Hilfe der TUM bei den elektrischen Speichern etablieren.

Ansprechpartner

Dr. Mathias Rzepka
+49 89 329442-31
Matthias.Rzepka@zae-bayern.de

Superkondensatoren

Superkondensatoren sind im Bereich der Energiespeicher den Batterien v.a. in Bezug auf Zyklenfestigkeit und Leistungsdichte deutlich überlegen. Gegenüber Li-Ionen-Speichern besitzen Superkondensatoren allerdings eine signifikant geringere Energiedichte, so dass entsprechend große Volumina für die Speicherung großer Energiemengen benötigt werden.
Das ZAE Bayern besitzt entsprechende materialwissenschaftliche Expertise zur Synthese und elektrochemischen Charakterisierung nanoporöser Elektrodenmaterialien. Die Volumenänderung der Elektroden bei Lade- und Entladevorgängen kann zudem in-operando mittels Dilatometrie erfasst werden.

Ansprechpartner
Dr. Gudrun Reichenauer
+49 931 70564-328
gudrun.reichenauer@zae-bayern.de

Thermische Energiespeicher

Auf dem Gebiet der Energiespeicher wurden bisher am ZAE Bayern in erster Linie thermische Speicher untersucht. Hier waren Speicher sensibler Wärme, Latentwärmespeicher und thermochemische Speicher Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Alle Forschungsbereiche wurden von grundlegenden Fragestellungen, z.B. der nach den theoretischen Grenzen der Speicherkapazität oder der Materialentwicklung, bis zu Fragen der Systemintegration oder Produktentwicklung behandelt. National hat sich das ZAE Bayern durch eine Reihe von Forschungsvorhaben für das BMBF und das BMWi auf dem Gebiet thermischer Energiespeicher einen Namen gemacht. Dies wird auch durch die wachsende Zahl von Anfragen aus der Industrie unterstrichen. In diesem Zusammenhang geht es hauptsächlich um die Steigerung der Energieeffizienz in industriellen Produktionsprozessen.

Besonders ist hervorzuheben, dass alle Techniken der thermischen Energiespeicherung – sensibel, latent und thermochemisch – von grundsätzlichen Fragen der Materialentwicklung und -charakterisierung bis zu Demonstrationsanlagen bzw. kommerziellen Produkten hin bearbeitet werden. In diesem Zusammenhang ist auch die Expertise des ZAE Bayern auf dem Gebiet der Wärmetransformation durch Sorptionswärmepumpen und –kältemaschinen zu erwähnen. Diese erweitert deutlich die möglichen Anwendungsbereiche der Speichersysteme durch die Anpassung der benötigten Temperaturniveaus.

Ansprechpartner

Dr. Stefan Hiebler
+49 89 329442-35
Stefan.Hiebler@zae-bayern.de

Wärmespeichersysteme

Mobiler Energietransport

  • Experimentelle Untersuchung von Sorptionsgleichgewichten für feste Sorbentien
  • Dynamische Simulation von Ad- und Absorptionsprozessen
  • Auslegung offener Sorptionssysteme
  • Auslegung und Berechnung von mobilen Sorptionsspeichern
  • Mobiler Energietransport durch Mobile Speicher (MobS)
  • Aufbau und Vermessung von Pilot- und Demonstrationsanlagen

Solare Klimatisierung

  • Dynamische Simulation von Ad- und Absorptionsprozessen
  • Dynamische Systemsimulation der Anlagentechnik
  • Auslegung offener Sorptionssysteme zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten
  • Auslegung und Berechnung von Sorptionsspeichern
  • Experimentelle Untersuchungen von Sorptionsgleichgewichten
  • Aufbau und Vermessung von Pilot- und Demonstrationsanlagen

Sorptionsprozesse zur Energieeinsparung

  • Offene Sorptionssysteme mit festen und flüssigen Sorbentien
  • Anwendungen zum Heizen, Kühlen, Entfeuchten und Trocknen
  • Speichern von Wärmeenergie
  • Experimentelle Untersuchung von Sorptionsgleichgewichten für feste und flüssige Sorbentien
  • Dynamische Simulation von Ad- und Absorptionsprozessen
  • Auslegung von offenen Sorptionssystemen und Sorptionsspeichern
  • Aufbau und Vermessung von Pilot- und Demonstrationsanlagen

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Eberhard Lävemann
+49 89 329442-18
Eberhard.Laevemann@zae-bayern.de

Projekte

Saisonale Wärmespeicherung

Foto Wärmespeicher

Die kostengünstige Langzeitspeicherung von Wärme stellt bei der Bereitstellung von Heizwärme aus zeitlich stark fluktuierenden erneuerbaren Energien wie die Solarstrahlung eine Schlüsseltechnologie dar. Um einen möglichst hohen solaren Deckungsanteil an der Wärmeversorgung zu gewährleisten, muss der zeitliche Versatz von hohem Strahlungsangebot im Sommer und hohem Heizwärmebedarf im Winter bei vergleichsweise niedriger Solarstrahlung mit dem Speicher ausgeglichen werden. Die geringe Anzahl von 1-2 Speicherzyklen pro Jahr setzt zudem sehr harte Randbedingungen an die Baukosten, um eine wirtschaftlich akzeptable Lösung zu ermöglichen. Diese Anforderungen können heute nur große unterirdische thermische Energiespeicher wie große, wärmegedämmte Wasserbehälter, Erdwärmesonden-, Aquifer- oder Kies/Wasser-Speicher erfüllen. Für unterirdische Behälter-, Erdwärmesonden- und Kies/Wasserspeicher darf im Speicherbereich kein fließendes Grundwasser auftreten, um die Wärmeverluste zu minimieren.

Auf Grund der hydrogeologischen Verhältnisse wurde im Projekt Solare Nahwärme Ackermannbogen in München deshalb ein 6000 m³ großer, unterirdischer Betonbehälter als Heißwasserspeicher eingesetzt, dessen Seitenwände und dessen Dach auch Betonfertigteilen zusammengesetzt wurde. Innen ist der Speicher mit Edelstahlblech ausgekleidet, um Dampfdiffusion durch die Wände zu unterbinden, die einerseits mit einem hohen Wärmeverlust verbunden wäre und andererseits zur Durchfeuchtung der Wärmedämmung führen würde. Der Speicherboden ist mit Schaumglasschotter, Wand und Decke mit einer Schüttung aus Blähglasgranulat (0,50-0,70 m dick) gedämmt. Der Speicher wurde abschließend außen mit Erdreich angefüllt und ist heute in einen Hügel in der Grünanlage neben dem Wohnquartier integriert.

Eine weitere sehr kostengünstige Lösung ist der Erdwärmesonden-Speicher, der sowohl im ungesättigten Untergrund aber auch ins stehende Grundwasser gebaut werden kann. Auf Grund der begrenzten Übertragungsleistung von Erdwärmesonden muss im Speichersystem ein Pufferspeicher vorgesehen werden. Im solaren Nahwärmeprojekt in Attenkirchen wurde erstmalig ein Hybridspeicherspeicher eingesetzt, bei dem ein unterirdischer Heißwasserspeicher mit einem Volumen von 500 m³ im Zentrum eines Erdwärmesonden-Speichers (90 Sonden, 2 m Abstand, 30 m tief) liegt. Der innere Heißwasserspeicher ist thermisch mit dem Erdwärmesonden-Feld gekoppelt. Es wird keine wasserdichte Innenauskleidung eingesetzt und der gesamte Speicher ist nur nach oben wärmegedämmt. Durch serielle Verschaltung der beiden Systeme und eine Beladung von innen nach außen, bzw. eine Entladung in umgekehrter Richtung wird eine horizontale Schichtung erzeugt und so die Wärmeverluste minimiert.

Diese Kombination vereinigt, da sie ohne Pufferspeicher auskommt, die Betriebsvorteile eines Wasserspeichers mit den ökonomischen Vorteilen des Erdwärmesonden-Speichers. Der Hybridspeicher erlaubt, genau wie der Erdwärmesonden-Speicher, in weiten Grenzen durch Hinzufügen von Sonden den Speicher einem gestiegenen Bedarf anzupassen.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Manfred Reuß
+49 89 329442-30
Manfred.Reuss@zae-bayern.de

Mobile Sorptionsspeicher zur Nutzung industrieller Abwärme

foto Sorptionsspeicher

Abwärme aus Industrieprozessen wird vielfältig bei hohen Temperaturen und mit großen Leistungen an die Umgebung abgegeben, weil sie am Standort zum aktuellen Zeitpunkt nicht genutzt werden kann. Mobile Sorptionsspeicher sind eine Option diese thermischen Energien nutzbar zu machen. Das ZAE Bayern führte dazu ein vom Bundesministerium für Wirtschaft gefördertes Projekt durch im Verbund mit der Firma Hoffmeier Industrieanlagen in Hamm, und der Müllverbrennungsanlage Hamm Betreibergesellschaft. Das Projekt begann im Dezember 2009 und wurde 2013 abgeschlossen.

Ziel des Vorhabens war es einen mobilen Wärmespeicher auf der Basis eines offenen Sorptionsprozesses zu entwickeln und dazu eine Demonstrationsanlage zu errichten und zu betreiben.

Der Speicher wurde als Zeolith-Festbettschüttung konstruiert. Beim Laden wird er von heißer Luft durchströmt. Dabei wird Wasserdampf aus dem Zeolith ausgetrieben. Beim Entladen strömt ein kühler feuchter Luftstrom in den Speicher. Dabei wird Wasserdampf aus der Luft am Zeolith adsorbiert. Die freiwerdende Adsorptionswärme heizt die Luft auf, die ihre Wärme wiederum an einen nachfolgenden Prozess abgibt. Der Speicher wird auf eine sogenannte Container-Wechselbrücke montiert und auf einem Sattelauflieger transportiert.

Für die Demonstrationsanlage wurden zwei Speicher vorgesehen, die von der Firma Hoffmeier Industrieanlagen gefertigt worden. Die Wärme wird von der Müllverbrennungsanlage in Hamm geliefert und in einem ca. acht Kilometer entfernten Trocknungsprozess der Firma Jäckering Mühlen- und Nährmittelwerke genutzt. Die Standorte wurden mit Stationen zum Laden und Entladen des Speichers ausgerüstet. Dies sind lufttechnische Anlagen, bestehend aus Ventilatoren, Filtern und Wärmeübertragern. Die Anlagen gingen im ersten Quartal 2012 in Betrieb.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Eberhard Lävemann
+49 89 329442-18
Eberhard.Laevemann@zae-bayern.de

Materialforschung für thermochemische Speichersysteme

foto thermochemischer speicher

Um die Ziele Integration erneuerbarer Energien und Steigerung der Energieeffizienz in Zukunft umsetzen zu können, müssen effiziente und kostengünstige thermische Energiespeichertechnologien entwickelt werden. Thermochemische Wärme- und Kältespeicher können von allen thermischen Speichertechnologien die höchsten Speicherkapazitäten bereit stellen.

Ziel eines vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Vorhabens war die Einrichtung eines Labors zur Charakterisierung und Beurteilung thermochemischer Speichermaterialien in thermischen Energiespeicheranwendungen.

Dabei sollte für die Charakterisierung thermochemischer Speichermaterialien eine entsprechende Laborausstattung zur Ermittlung der Materialeigenschaften und Reaktionsparameter angeschafft und in Betrieb genommen werden. Zur Untersuchung der Stabilität thermochemischer Speichermaterialien wurde ein Alterungsteststand aufgebaut. Daran wurden die hydrothermale Zyklenfestigkeit und die Stabilität des Materials auch gegenüber dem Einfluss von Schadgasen untersucht. Für die Anwendungsnahe Beurteilung thermochemischer Speichermaterialien wurde ein modularer Teststand konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen, der in der Lage war, die Randbedingungen der verschiedenen Anwendungsbereiche (Kälte-, Wärme – und Hochtemperaturspeicherung) zu generieren. Schließlich sollte der experimentelle Nachweis der effektiven Speicherkapazität verschiedener Materialien für die saisonale Speicherung solarer Wärme geführt werden.

Das im Oktober 2011 begonnene Vorhaben eröffnete die Möglichkeit, das theoretische und praktische Wissen im Bereich thermochemischer Energiespeicherung zu vertiefen. Die in den experimentellen Aufbauten gewonnenen Ergebnisse trugen dazu bei, die der Materialalterung zugrunde liegenden Mechanismen besser zu verstehen und Vorhersagen zur Stabilität der Materialien zu treffen. Schließlich konnten durch eine Standardisierung der Materialcharakterisierung und Vermessung unter festgelegten Referenzbedingungen Speichermaterialien untereinander verglichen werden.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Eberhard Lävemann
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Eberhard.Laevemann@zae-bayern.de

Entwicklung neuartiger PCM

foto PCM Speicher

Phasenwechselmaterialien (PCM von engl. phase change materials) werden zur Speicherung thermischer Energie eingesetzt, da sie in kleinen Temperaturbereichen große Wärmemengen speichern können. In der Praxis werden bisher vor allem Materialien mit einem fest-flüssig Phasenwechsel angewendet, da hier die Speicherdichte bezogen auf das Speichervolumen besonders hoch ist. Allerdings muss ein Stoff, der mal fest und mal flüssig vorliegt, für die Anwendung geeignet verkapselt werden. Die Verkapselung ist in jedem Fall ein Kostenfaktor beim Speicherbau und kann unter Umständen auch die effektive Speicherdichte deutlich reduzieren.

Vor diesem Hintergrund werden am ZAE Bayern im Rahmen des Projekts ENFoVerM ("Entwicklung neuartiger PCM, formstabiler PCM und PCM-Verbundmaterialien mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit") verschiedene Möglichkeiten der Herstellung formstabiler PCM mit Hilfe der Polymertechnologie untersucht. Ziel der Arbeiten sind Stoffe, die auf molekularer Ebene schmelzen aber makroskopisch fest bleiben.

Wie kann man sich das vorstellen? Beim "normalen" PCM findet ein fest-flüssig Phasenwechsel statt. Im Festkörper sind die "Bausteine" des Stoffs, also Ionen, Moleküle oder Polymere, gebunden, d.h. in ihrer gegenseitigen Lage fixiert, und geben so dem Körper eine äußere Form. Oberhalb einer charakteristischen Temperatur, der Schmelztemperatur, werden diese starren Bindungen gelöst, die Bausteine können sich gegeneinander bewegen: der Stoff verliert seine äußere Form und schmilzt. Dabei nimmt der Stoff die Schmelzenergie auf. Beim Abkühlen unter die Schmelztemperatur werden die Bindungen wieder neu gebildet und diese Energie wieder freigesetzt. So kann der Stoff als thermisches Speichermedium genutzt werden.

Zur Herstellung polymerbasierter formstabiler PCM werden am ZAE verschiedene Optionen untersucht. Bei Kamm-Polymeren fungieren die Zinken des Kamms als eigentliches Phasenwechselmaterial, während der Kammrücken die äußere Stabilität gewährleistet. Bei Polymermischungen wird die Formstabilität erreicht, indem kleine Tröpfchen in eine Matrix festen Materials eingebettet werden. Unverzweigte Block-Kopolymere können als formstabile PCM fungieren, wenn ein amorph-kristalliner Übergang eines Blocks stattfindet während der zweite Block für eine Quervernetzung der Polymere und damit für die Formstabilität sorgt.

Im Projekt ENFoVerM werden noch weitere Themen auf Materialentwicklungsebenen untersucht. Dies sind Untersuchungen zu PCM-Mischungen, PCMs auf Polymerbasis und die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von PCM durch geeignete Zusätze. Darüber hinaus wird versucht ein übergeordnetes, theoretisches Verständnis der Zusammenhänge bei PCM zu erarbeiten.

Ansprechpartner

Dr. Stefan Hiebler
+49 89 329442-35
Stefan.Hiebler@zae-bayern.de

ZAE Bayern

Wir arbeiten an der Schnittstelle zwischen erkenntnisbasierter Grundlagenforschung und angewandter Industrieforschung. Unter dem Leitbild „Exzellente Energieforschung – Exzellente Umsetzung“ realisieren wir komplette Innovationspakete, die auf Synergien zwischen Erzeugung, Speicherung und Effizienzmaßnahmen bauen.

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