Silikagel-Wärmespeicher

Einen ganz neuen Ansatz verfolgt der Lehrstuhl für Thermodynamik und Wärmetechnik der Uni Stuttgart mit der erfolgreichen Entwicklung eines Silikagel-Wärmespeichers.

Silikagel - auch Kieselgel genannt - ist ein weißer, poröser, geruchloser, stark hygroskopischer (wasseranziehender), nicht brennbarer Feststoff, der in Form von Siliciumdioxid (SiO₂) vorliegt.

Silikagel Kugeln; Quelle: www.chemie-schule.de

Eine Möglichkeit Silikagel zu nutzen, ist die Verwendung als thermochemischer Wärmespeicher. Denn Silikagel hat die Eigenschaft, bei der Adsorption, der Aufnahme von Wasser, Wärme abzugeben und bei der Desorption, der Trocknung, bei einer Temperatur von 80 bis 120 °C Wärme aufzunehmen. Dieser Prozess kann nahezu beliebig oft wiederholt werden. Es wird keine Wärme gespeichert, sondern die Trockenheit des Silikagels. Solange der Silikagelspeicher vor Feuchteeintrag geschützt ist, gibt es keinerlei Wärmeverluste.

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Einbindung eines Silikagel-Wärmespeichers in ein solares Luftsystem.

Einbindung eines Silikagel-Wärmespeichers in ein solares Luftsystem

Während des Sommers wird das Silikagel mit - durch einen Röhrenluftkollektor auf 80 bis 120 °C erwärmte -  Luft durchströmt und dadurch getrocknet. Die "Überschusswärme" des Sommers wird so für die Heizperiode gespeichert.

Trocknen des Silikagels während des Sommers

In der Übergangszeit kann der Luftkollektor bei Sonneneinstrahlung direkt zur Beheizung der Räume genutzt werden, wie die nachfolgende Abbildung zeigt.

Luftkollektor beheizt direkt die Räume

In der Heizperiode durchströmt feuchte Luft den Silikagel-Wärmespeicher. Dabei wird, wie oben beschrieben, Wärme freigesetzt, die mittels eines Wärmetauschers auf die Zuluft des Raumes übertragen wird.

Feuchte Luft durchströmt den Wärmespeicher. Dabei wird Wärme frei.

 Die nachfolgende Tabelle gibt erzielbare Energiedichten verschiedener Wärmespeicherarten wider.

Erzielbare Energiedichten verschiedener Wärmespeicherarten; Quelle BINE projektinfo 2/01

Speicherart	Energiedichte	Speichermedien, z.B.:	Arbeitstemperatur
Sensibel	ca. 60 kWh/m³	Wasser	< 100 °C
Latent	bis zu 120 kWh/m³	Salzhydrat	ca. 30 - 80 °C
		Parafine	ca. 10 - 60 °C
Thermochemisch	bis zu 200 - 500 kWh/m³	Metallhydrate	ca. 280 - 500 °C
		Silikagele	ca. 40 - 100 °C
		Zeolithe	ca. 100 - 300 °C

Man sieht deutlich, dass thermochemische Wärmespeicher eine sehr hohe Speicherdichte haben. Silikagel hat mit 80 bis 120 °C eine vergleichbar niedrige Trocknungstemperatur, die von Vakuum-Röhrenluftkollektoren erreicht werden können.

Silikagel Wärmespeicher eigenen sich somit ideal zur saisonalen Wärmespeicherung. Dies gilt insbesondere, wenn das zu beheizende Gebäude als Passivhaus (spezifischer Wärmeverbrauch < 20 kWh/m²a) errichtet wurde.

Ein Bild eines großen Silikagel-Wärmespeichers zeigt das nachfolgende Abbildung.

 Silikagel-Wärmespeicher; Quelle TAO Group

Der Speicher ist in drei Teilvolumen unterteilt. Diese bestehen aus jeweils acht Segmenten. So lässt sich eine effizienteres Be- und Entladen gewährleisten und der Druckverlust gering halten.

Der Speicher wird bei einer Temperatur von etwas über 80 bis 120 °C beladen. Diese hohen Temperaturen erreicht ein Vakuum-Röhrenlluftkollektor (siehe die Kollektoren von airwasol)

Vakuuml-Röhrenuftkollektor; Quelle: airwasol

 

Erste Ergebnisse eines Pilotprojekts

Nachfolgend wird das Pilotprojekt der TAO Group vorgestellt. Es handelt sich um ein Passivhaus mit einem spezifischen Wärmeverbrauch von 17 kWh/m²a und einer beheizten Fläche von 100 m².

Prinzipieller Aufbau des Pilotgebäudes; Quelle: TAO Group

Deutlich ist der Kollektor auf der linken Seite zu erkennen. Rechts im Gebäude ist die gesamte Infrastruktur (Wärmespeicher, Wärmerückgewinnung, Gebläse, Regelung, etc.) untergebracht.

In der Testanlage des Demonstrationsgebäudes wurden kleine, mobile Speicher, realisiert. Hier war der Grundgedanke, die Machbarkeit und die Funktionalität des Silikagelspeichers zu demonstrieren.

Die nachfolgende Tabelle gibt typische Anlagenkennwerte wider.

Typische Anlagenkennwerte (berechnet auf Grundlage der Ergebnisse aus dem Pilotprojekt)

Der verlustfreie Silikagel-Wärmespeicher hat eine Energiedichte von 130 bis 200 kWh/m³ bzw. 162,5 bis 250 Wh/kg erreicht.

Die nachfolgende Abbildung zeigt das Schaltbild der Pilotanlage mit den drei wesentlichen Bauteilen:

• Vakuum-Röhrenluftkollektor
• Silikagel-Wärmespeicher
• Wärmetauscher

Schaltbild der Pilotanlage; Quelle: TAO Group

 Mit dieser Anlage lässt sich die überschüssige Wärme des Sommers für den Winter speichern.

Energieübertrag vom Sommer in den Winter; Quelle: TAO Group