Technologie

Optimierte Schichten für solare Wärmespeicher

13.10.2021 - Das granulare Speichermaterial Zeolith wird im Vakuum mit Aluminium bedampft.

Zur effektiven Absorption der solaren Einstrahlung sind, gleich ob für die Photovoltaik oder für die Solarthermie, speziell entworfene und optimierte Schichtsysteme erforderlich. Dazu gehören im Bereich der Photovoltaik unter anderem Halbleiter­schichten und Elektroden­schichten. Für die Solarthermie werden Absorber­schichten mit hoher Absorption im sichtbaren und UV- und geringer Emission im infraroten Spektralbereich benötigt, um Verluste durch Wärmeabstrahlung gering zu halten. Um solch eine optische Funktion zu realisieren, muss ein Schichtsystem aus mehreren Einzellagen erzeugt werden, deren Dicken sehr präzise abgestimmt und die reproduzierbar auf Absorberrohren von Solarröhren­kollektoren – dem Kollektortyp mit den geringsten Wärme­verlusten – abgeschieden werden.

Das Absorberrohr befindet sich in einem evakuierten Hüllrohr, sodass das Schicht­system vor Verschmutzung und etwaiger Degra­dation durch Luft­bestandteile geschützt ist. Dennoch muss das Schichtsystem dauerhaft hohe Temperaturen aushalten, die das Absorberrohr annimmt, und auch bei zyklischer Temperatur­belastung langzeitstabil sein. Je höher die Temperatur im Wärme­kreislauf, desto besser und vielfältiger kann sie genutzt werden, sei es direkt als Prozesswärme oder um bei hoher Temperatur Wärmespeicher aufzuladen. Auch zur Entwicklung effizienterer Speichersysteme liefern Beschichtungen ihren Beitrag. Um die durch Photovoltaik absorbierte und bereit gestellte Energie zeitlich variabel nutzbar zu machen, wird aktuell umfangreich zu elektrischen Energie­speichern geforscht, die den zeitlichen Versatz zwischen Strom­erzeugung und Stromverbrauch ausgleichen sollen.

Für den Bereich Wärme übernimmt diese Funktion in vielen Wärmekreisen ein Wasser­speicher. Aber auch hier wird an besseren Speicher­konzepten gearbeitet, die eine höhere Speicher­kapazität als Wasser haben und die platzsparender und verlustärmer gestaltet werden können. Darunter fallen zum Beispiel Adsorptions­wärmespeicher, bei denen nanoporösem Zeolith-Granulat unter Zufuhr der zu speichernden Wärme Wasser ausgetrieben wird. Das entspricht dann der Beladung des Speichers mit Energie. „Wenn das Speichermaterial mit wasserdampf­beladener Luft durchströmt wird, adsorbiert es Wasser und setzt dabei Wärme frei, die in Heizkreisen genutzt werden kann“, sagt 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 experi­mentieren mit Schichten von mehr als zwanzig Mikrometern Dicke. Diese werden mit einer Technologie realisiert, die sonst zur Folien­beschichtung genutzt wird. Schüttungen eines hochporösen Materials auf diese Weise gleichmäßig mit dicken Schichten zu versehen, ist daher eine große Herausforderung und die bisherigen Entwicklungen des Fraunhofer FEP sind durchaus einzigartig. Der Prozess muss so gestaltet werden, dass die Schichten den Stoffaustausch zwischen Umgebung und Speichermaterial nicht behindern, das Material muss schließlich weiterhin Wasser aufnehmen und abgeben können, damit das Speicher­prinzip funktioniert. Dass dieser Stofftransport durch die Schicht nicht behindert wird, zeigen vergleichende Adsorptions­kurven von beschichtetem und unbeschichtetem Material.

Insbesondere Entwickler neuartiger Speicher­materialien mit Fokussierung auf die Maximierung der Speicher­kapazität sind an den innovativen Schicht­entwicklungen interessiert. Solche neuen Speicher­materialen sind vor allem Hybridmaterialien, die noch nicht großtechnisch gefertigt werden, 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 werden 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.
 

Fh.-FEP / JOL

Weitere Infos