Mit den vom Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP entwickelten Vakuumtechnologien kann man Schichten und Schichtsysteme rund um die Nutzung solarer Energie und die Speicherung von Wärme im industriellen Maßstab abscheiden. Damit will die Forschungseinrichtung einen Beitrag zur verstärkten Nutzung dieser wichtigen Energiequelle leisten. Heute ist der Wasserspeicher Standard zur Speicherung von Wärme. Aber hier arbeiten Forscher:innen an besseren Speicherkonzepten, die eine höhere Speicherkapazität als Wasser haben. Ziel ist es zudem, platzsparendere und verlustärmere Speicher zu gestalten. Solche sind zum Beispiel Adsorptionswärmespeicher, bei denen man nanoporösem Zeolith-Granulat unter Zufuhr der zu speichernden Wärme Wasser austreibt. Das entspricht dann der Beladung des Speichers mit der durch Solarthermie oder anderen erneuerbaren Quellen gewonnenen Wärme.

Aluminiumbeschichtung für Adsorptionswärmespeicher

„Wenn das Speichermaterial mit wasserdampfbeladener Luft durchströmt wird, adsorbiert es Wasser und setzt dabei Wärme frei, die in Heizkreisen genutzt werden kann“, erläutert Heidrun Klostermann, Wissenschaftlerin am Fraunhofer FEP. „Damit das funktioniert, muss aber auch der Wärmeaustausch mit dem Speichermaterial effizient gestaltet werden, welches selbst keine gute Wärmeleitung aufweist. Das können Aluminium-Schichten bewerkstelligen, mit denen das Material umhüllt wird. Sie gewährleisten einen guten Wärmetransport und effizienten Wärmeübergang am Wärmetauscher.“ Neben der Ad- und Desorptionsdynamik des Speichermaterials ist dies ein wesentlicher Aspekt der Leistungsfähigkeit eines Speichersystems und von großem Einfluss auf dessen maximale sowie die durchschnittliche spezifische Wärmeleistung.

Das granulare Speichermaterial Zeolith wird im Vakuum als Schüttgut mit Aluminium bedampft. Der Anspruch guter Wärmeleitung setzt eine gleichmäßige, ausreichend dicke Schicht voraus. Die Forschenden am Fraunhofer FEP experimentieren mit Schichten von mehr als 20 Mikrometern Dicke. Diese realiseren die Forschenden mit einer Technologie, die man sonst zur Folienbeschichtung nutzt. Schüttungen eines hochporösen Materials auf diese Weise gleichmäßig mit dicken Schichten zu versehen, ist daher eine große Herausforderung und die bisherigen Entwicklungen sind laut Fraunhofer FEP durchaus einzigartig.

Man muss den Prozess so gestalten, dass die Schichten im Adsorptionswärmespeicher den Stoffaustausch zwischen Umgebung und Speichermaterial nicht behindern. Das Material muss schließlich weiterhin Wasser aufnehmen und abgeben können, damit das Speicherprinzip funktioniert. Dass die Beschichtung diesen Stofftransport nicht behindert, zeigen vergleichende Adsorptionskurven von beschichtetem und unbeschichtetem Material.

Höhere Speicherdichten, kleinere Speichervolumina – Entwicklungen für Morgen

Insbesondere Entwickler neuartiger Speichermaterialien mit Fokussierung auf die Maximierung der Speicherkapazität sind an den innovativen Schichtentwicklungen des Fraunhofer FEP interessiert. Solche neuen Speichermaterialen sind vor allem Hybridmaterialien, die man noch nicht großtechnisch fertigt, wie das bei den Zeolithen der Fall ist. In der Regel werden sie nur in kleinen Mengen hergestellt und liegen in Pulverform vor. Am Fraunhofer FEP besteht damit künftig die Herausforderung, auch diese neuen Materialien in der Metallisierungsanlage zu behandeln. Speicherhersteller hoffen ebenfalls auf diese neuen Materialklassen, mit denen die genannten Vorteile gegenüber den etablierten Wasserspeichern ein noch stärkeres Gewicht erhielten: höhere Speicherdichte, kleinere Speichervolumina.

Interesse regt sich auch in einem weiteren Anwendungsfeld: bei der Kühlung mit Adsorptionskältemaschinen. Diese können künftig, sei es stationär in Kombination mit solarer Wärme oder im Fahrzeugbau unter Nutzung von Abwärme aus Brennstoffzellenantrieben, einen Teil der derzeit beherrschenden Kompressionskältemaschinen ersetzen. Damit wird der Verbrauch konventionell erzeugter elektrischer Energie und fossiler Brennstoffe reduziert.

13.10.2021 | Quelle: Fraunhofer FEP | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH