Entwicklung eines Sorptionsspeichers für die solare Raumheizung

Die Wärmespeicherung, vor allem über lange Zeiträume hinweg, wie dies bei der Nutzung von thermischer Solarenergie zur Raumheizung erforderlich ist, ist ein über weite Strecken noch nicht gelöstes technisches Problem. Auf Grund dessen hat das Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (Freiburg, BRD) zusammen mit der Firma UFE SOLAR GmbH (Berlin, BRD) bereits 1995 begonnen, erste Voruntersuchungen und Forschungsarbeiten zur saisonalen Wärmespeicherung auf Basis der Feststoffsorption durchzuführen.

Eine kontinuierliche Fortsetzung der Forschung erfolgte durch das von der Europäischen Kommission und vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation, und Technologie finanzierte Projekt "HYDES". Dieses Projekt hatte die Fokussierung der ersten Forschungsergebnisse, die Weiterführung des Materialscreenings bezüglich des Speichermaterials, die Entwicklung der Speicher- und der Hydrauliksysteme, das Erstellen von Simulationswerkzeugen sowie die Installation und Vermessung erster Testanlagen in Deutschland, Finnland und Österreich zum Ziel.

Die Testanlage in Österreich wurde im Versuchsraum der AEE INTEC in Gleisdorf installiert. Die Anlage besteht im wesentlichen aus einer thermischen Solaranlage mit 20 m² Kollektorfläche, zwei Sorptionsspeichern und einem Verdampfer-Kondensatbehälter mit je einem Volumen von 1.250 Liter, sowie einem Warmwasserspeicher mit einem Volumen von 300 Liter.

Im Frühling 2001 wurde die Testanlage aufgebaut und in Betrieb genommen. Nach der Erstinbetriebnahme konnte mit den ersten Anlagentests begonnen werden. Aufgabe dieser Testphase war die Bewertung der Anlagenhydraulik, die messtechnische Bestimmung der Wärmetauschercharakteristik sowie erste Sorptionsspeicherbelade- und Sorptionsspeicherentladeversuche. Für diese Testreihen war noch keine automatische Regelung vorhanden. Alle Ventile und Pumpen bei der Anlage wurden manuell via PC gesteuert. Bei den Versuchsreihen wurden alle Energieströme und relevanten Temperaturen, Drücke und Füllstandsänderungen (Verdampfer-Kondensatbehälter) erfasst.

Im Rahmen der Tests wurden beide Speicher je einmal energetisch entladen, d.h. das Silikagel wurde mit Wasserdampf beladen. Bei einer weiteren Versuchsreihe wurde das Silikagel des Sorptionsspeichers 1 und 2 getrocknet.

Bei den Adsorptionsversuchen wurde für den Sorptionsspeicher 1 ein Energieoutput von 115 kWh pro m³ Silikagel und für den Sorptionsspeicher 2 ein Energieoutput von 122,2 kWh pro m³ Silikagel bei einer minimalen Vorlauftemperatur aus dem Sorptionsspeicher von 32 °C erreicht. Mit einer optimierten Betriebsweise könnte der theoretische Wert, der bei 140 bis 150 kWh pro m³ Silikagel liegt, annähernd erreicht werden.

Ein Pufferspeicher mit 1 m³ Speichervolumen und mit Wasser als Speichermedium hat einen Energieoutput von 67 kWh bei einer maximalen Speichertemperatur von 90 °C und einer minimale Speichertemperatur von 32 °C (Delta T = 58 K). Diese minimale Speichertemperatur entsprach auch der minimalen Vorlauftemperatur aus dem Sorptionsspeicher während der Testreihen.

Vergleicht man die beiden Ergebnisse - Energieoutput aus einem Pufferspeicher mit 1 m³ Wasser und Energieoutput aus dem Sorptionsspeicher mit 1 m³ Silikagel - so errechnet sich für den Sorptionsspeicher die 1,8-fache, im optimalen Fall die 2,2-fache Energiedichte. Daraus ergibt sich, dass der Sorptionsspeicher der Testanlage etwa die Hälfte an Speichervolumen benötigt, um den gleichen Energieoutput zu liefern wie der 1 m³-Wasserspeicher.

Bei den Desorptionsversuchen hat sich gezeigt, dass bei sinkender Beladung des Silikagels - ab Werten unter 10 Gew% Wasser pro Kilogramm Silikagel Trockensubstanz - eine mittlere Temperatur im Sorptionsspeicher von 80 bis 90 °C notwendig ist.) Dazu muss einerseits die Solaranlage über längere Zeit Temperaturen von 95 °C bis 105 °C liefern und anderseits muss die Niedertemperatursenke für die Kondensation eine Rücklauftemperatur von unter 20°C aufweisen.

Mit den ersten Tests konnte gezeigt werden, dass die Testanlage im allgemeinen und die thermochemische Wärmespeicherung auf der Basis der Adsorption von Wasserdampf in den Poren von Silikagel im speziellen ein technisch durchführbarer Lösungsansatz für die saisonale Speicherung ist.