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Energiespeicherung

Eine Eiswürfelhülle für heißen Wasserdampf

Heimische Forscher entwickeln eine Ummantelung für Dampfspeicher, deren Material durch den Wechsel zwischen flüssiger und fester Phase die Kapazität dieser Energiespeicher um 40 Prozent erhöhen soll. Der Prototyp wird nun in Donawitz bei Leoben installiert.

Das bekannteste Phasenwechsel-Material oder Phase-Changer-Material (PCM) ist ein Eiswürfel. Er gibt beim Einfrieren (Phasenwechsel von flüssig zu fest) Energie ab und nimmt diese beim Schmelzen wieder auf, wenn sein Aggregatzustand in die flüssige Phase wechselt und dabei das Getränk kühlt.

Die Industrie nutzt als Phasenwechsel-Materialien eine Vielfalt von Substanzen, um Wärmeenergie zu speichern: Bei Energiezufuhr geht das PCM in die flüssige Phase über und gibt die gespeicherte Energie beim Festwerden wieder ab. Forscherinnen und Forscher am Austrian Institute of Technology (AIT) nutzen im Projekt „HyStEPs – Hybrid storage for efficient processes“ eine spezielle Salzmischung als PCM, um herkömmliche Dampfspeicher mit diesem modernen Ansatz noch effizienter zu machen. Der Schmelzpunkt dieser Salzmischung liegt bei etwa 190 °C, also um einiges höher als beim Eiswürfel, der bei null Grad schmilzt.

Kapazitäten besser nutzen

Das Projekt, das vom Klima- und Energiefonds gefördert wird, ist Teil der Nefi (New Energy for Industry)-Vorzeigeregion, die mit Unterstützung des Klimaschutzministeriums eine Reduktion der Kohlenstoffemissionen erreichen will bzw. die vollständige „Dekarbonisierung“ der heimischen Industrie: also null Kohlenstoffemissionen. „Bei Energiespeicherung denken die meisten Menschen an Batterien und Akkus“, sagt Gerwin Drexler-Schmid vom AIT Center for Energy. „Aber zwei Drittel der Energiemengen in der Industrie sind thermische Energie, also Wärmeenergie.“

Teile dieser Wärmeenergien können, wenn sie als Abwärme der Prozesse entstehen, in Dampfspeichern eingespeist und zeitversetzt wieder herausgeholt werden. Nach dem schwedischen Erfinder Johannes Ruths werden solche Dampf- oder Siedewasserkessel auch Ruthsspeicher genannt.

„Man kann sich die Form wie ein liegendes Tic-Tac vorstellen“, sagt Drexler-Schmid. Der Dampfspeicher in diesen Versuchen hat einen Durchmesser von rund 0,7 Metern und zwei Meter Länge, ist also mit knapp einem Kubikmeter Fassungsvermögen um vieles kleiner als die großen Speicher der Industrie, wo der Wasserdampf hauptsächlich in Prozessen der Nahrungs- und Genussmittel-, Chemie-, Papier- und Metallindustrie genutzt wird. Nicht nur in der Industrie gehen Kapazitäten verloren, wenn Energie, die entsteht, nicht sofort gebraucht wird. Auch bei der Stromgewinnung aus Sonnen- und Windenergie sucht man weiterhin nach Lösungen, wie man Energie aus Spitzenproduktionszeiten einlagert, um sie dann zu verwenden, wenn der Verbrauch seine Spitzen erreicht. „Die Dekarbonisierung wird erst gelingen, wenn der Anteil an erneuerbarer Energie steigt, und dazu braucht man Speichermöglichkeiten.“

Die AIT-Forschenden setzen nun auf eine Hybridlösung, bei der sie Dampfspeicher mit der Technologie der Phasenwechsel-Materialien aufrüsten. „Wir ummanteln die Speicher mit dem PCM, das bei hoher Temperatur schmilzt, also Energie aufnimmt, und sie beim Aushärten wieder abgibt: So kann bestehende Infrastruktur weiter genutzt werden, und wir wollen die Speicherkapazität um 40 Prozent steigern“, sagt Drexler-Schmid. Das soll neben CO2 auch Kosten sparen: „Das Aufrüsten soll auch leistbar sein.“

Tausende Heiß-kalt-Zyklen aushalten

Mit an Bord ist die Voestalpine Stahl, die Know-how und am Standort Donawitz bei Leoben Platz für den Prototypen bietet, der mit der Firma Edtmayer Systemtechnik gefertigt wird. Weiters ist die TU Wien intensiv in die Forschungen eingebunden. Das Institut für Konstruktionswissenschaften und Produktentwicklung tüftelt, wie die Ummantelung stabil gelingt, quasi damit das Material bei Tausenden Heiß-kalt-Zyklen unter hohem Druck nicht auseinanderfällt.

Das Institut für Energietechnik und Thermodynamik arbeitet an der Modellierung und Optimierung des hybriden Speichersystems. Und das Institut für Mechanik und Mechatronik erstellt Messungen zum Ladezustand des PCM. „Es ist keine triviale Aufgabe, den Zustand des Salzes in der Ummantelung zu erkennen, um zu wissen, wie viel Energie man noch hineinladen kann.“

In Zahlen

11 Millionen Tonnen CO₂-Ausstoß könnten in der EU eingespart werden, wenn die bestehenden Dampfspeicher mit der neuen PCM-Technologie aufgerüstet werden.

4 Meter kann der Durchmesser eines Dampfspeichers messen, der die Form eines liegenden Tic-Tacs hat – mit einigen Metern Länge und bis zu einigen Hundert Kubikmetern Fassungsvermögen.

60 Jahre und länger halten diese Speicher. Sie werden in Österreich vor allem in der Nahrungsmittel-, Papier- und Metallindustrie eingesetzt.


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("Die Presse", Print-Ausgabe, 19.09.2020)