Zeolith-Wärmespeicher: Funktionsweise & Weiterentwicklungen

• Zeolithe sind porös, ihre Oberfläche ist daher enorm groß: Ein Gramm dieser Kugeln hat eine Oberfläche von bis zu 1000 Quadratmetern. Kommt das Material mit Wasserdampf in Berührung, bindet es diesen in den Poren und Wärme entsteht.
• Zur Wärmespeicherung entfernt man das Wasser, indem man das Material unter Wärmezufuhr trocknet. Die Energie ist dann gespeichert.
• Aber anders als bei Wasserspeichern wird nicht das Material erwärmt, sondern es wird quasi nur das Potenzial, Wasser aufzunehmen und dabei Wärme freizusetzen, gespeichert.
• Verhindert man, dass der getrocknete Zeolith mit Wasser in Berührung kommt, kann die Wärme ohne zeitliche Beschränkung gespeichert werden. Dabei spricht man auch von einer sorptiven Wärmespeicherung.
• Die Besonderheit bei der sorptiven Wärmespeicherung mit Zeolith ist, dass der Zeolith-Speicher drei- bis viermal so viel Wärme wie Wasser speichern kann.

Zeolithe sind kristalline Alumosilikate, die in zahlreichen Modifikationen in der Natur vorkommen, aber auch synthetisch hergestellt werden können. Zeolithe haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten unter anderem als Ionenaustauscher etwa zur Wasserenthärtung oder als Thermochemischer Wärmespeicher, die Wärme durch endotherme Reaktionen speichern und sie durch exotherme Reaktionen wieder abgeben.

Zeolith-Wärmespeicher bieten ein hohes Potenzial, flexible und hohe Speicherkapazitäten bereitzustellen. Gegenüber konventionellen Wärmespeichern in Form eines Wassertanks weisen sie mit 200 bis 300 Kilowattstunden pro Kubikmeter gegenüber nur etwa 60 kWh/m^³ bei Wasser eine wesentlich höhere Speicherdichte auf. Außerdem können Zeolith-Wärmespeicher die Energie über Jahre verlustfrei speichern.

Wärmespeicher auf Zeolith-Basis speichern die Energie in Form von adsorbiertem Wasserdampf im inneren des hochporösen Materials. Ein temporär anfallender Wärmeüberschuss, etwa aus einer Solarthermie-Anlage im Sommer oder aus Abwärme produzierenden industriellen Prozessen, der zeitversetzt für Heizzwecke z. B. im Winter benötigt wird, kann zur Trocknung des Zeolith-Granulats genutzt werden, was einer Beladung des Speichers entspricht.

Wird dem Zeolith Wasserdampf zugeführt, kann die Adsorptionsenergie wieder als Wärme freigesetzt und so für Heizzwecke genutzt werden. Während der Speicherung liegt die Energie nicht in Form von Wärme vor, unterliegt damit auch nicht den unvermeidbaren schleichenden Verlusten durch Wärmeableitung, wodurch längere Speicherintervalle möglich werden als bei der direkten (sensiblen) Wärmespeicherung, beispielsweise in Wasserspeichern.

Dieses Prinzip wird in verschiedenen Anwendungen genutzt:

• Saisonale Speicherung von Solarwärme
• Lastausgleich in Fernwärmenetzen
• Luftentfeuchtung und Heizung in Hallenbädern
• Energiesparendes Trocknen in Geschirrspülmaschinen
• Sorptionsspeicher zur Raumklimatisierung
• Einsatz in Adsorptionswärmepumpen

Ein bislang nicht gelöstes Problem des Sorptionsspeicherkonzepts ist der Wärmeübergang zwischen Speichermaterial und Wärmetauscher. Hohe Wärmeübergangswiderstände zwischen Wärme zu- und abführenden metallischen Strukturen und dem als Granulat vorliegenden Zeolith sowie in der Zeolith-Schüttung selbst behindern eine effektive Be- bzw. Entladung. Versuche, Zeolith-Material direkt als dicke Schicht auf metallische Träger aufzubringen, scheitern an der mangelnden Zyklen-Stabilität dieses Metall-Mineral-Verbundes. Bei Zeolith-gefüllten Metallrohren ist das Volumenverhältnis von Träger- zu Speicher-Material dagegen unbefriedigend.

Eine Lösung kann die Form des Zeoliths als auch die Art der Schichtung des Zeolith-Granulats darstellen, um den Wärmeübergang zwischen Speichermaterial und Wärmetauscher zu verbessern. Während Schüttungen aus Zeolith-Perlen eine eher schlechte Wärmeleistung erreichten, erzielten komplexere Formkörper (z.B. Wabenkörper aus 100% Zeolith) aus binderfreiem Zeolith bessere Ergebnisse. Insbesondere die offenere Porenarchitektur der Wabenwand im Vergleich zur Zeolith-Perle war hierfür verantwortlich.