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Siedende Steine für die Energiewende

Die Aufnahme zeigt aktive Zonen unserer Sonne. Solar Dynamics Observatory, NASA

Die stärkste Energiequelle weit und breit: die Sonne. Hier eine Falschfarben-Abbildung vom Solar Dynamics Observatory, NASA

Wasser rein, Wärme raus: Fraunhofer-Plasmainstitut FEP Dresden arbeitet an Alu-Zeolith-Speicherheizungen für kühle Tage

Dresden, 21. Oktober 2021. Um Sonnenwärme künftig für kühle Stunden besser zwischenspeichern zu können, arbeitet Fraunhofer Dresden aus neuartigen Thermospeichern aus metallbeschichteten Zeolith-Körnern. Dahinter stecken Aluminium-Silizium-Molekülgerüste, die thermische Energie effizienter und auf kleinerem Raum puffern können als klassische Wasser-Wärmespeicher.

Dr. Heidrun Klostermann mit einer Probe des metallisierten Zeolith-Granulats. Foto: Fraunhofer FEP

Dr. Heidrun Klostermann mit einer Probe des metallisierten Zeolith-Granulats. Foto: Fraunhofer FEP

Zeolith lädt sich mit heißer Luft auf

„Wenn dieses Speichermaterial mit wasserdampfbeladener Luft durchströmt wird, adsorbiert es Wasser und setzt dabei Wärme frei, die in Heizkreisen genutzt werden kann“, erklärt Dr. Heidrun Klostermann vom Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) in Dresden. Dies sei gewissermaßen der „Entladevorgang“ für diese thermischen Energiespeicher. Um sie mit thermischer Energie zu „laden“, leitet man 180 Grad heiße, trockene Luft durch das Granulat, das dabei Wasser verliert. Daher entstand auch der Name dieses Materials, der soviel wie „siedender Stein“ bedeutet und sich von den altgriechischen Worten „zeo“ für „sieden“ und „lithos“ für „Stein“ ableitet: Diese auch in der Natur vorkommenden Steine scheinen zu brodeln, wenn sie heiß werden.

Wärmetauscher gefüllt mit Aluminium-beschichtetem Zeolith-Granulat. Foto (bearbeitet): Fraunhofer FEP

Wärmetauscher gefüllt mit Aluminium-beschichtetem Zeolith-Granulat. Foto (bearbeitet/Sonneneffekt): Fraunhofer FEP

Alu-Kick für den Wärmestrom

Zeolithe gibt es als natürliche Gesteine, sie lassen sich aber auch synthetisch erzeugen. Sie enthalten sehr viele winzige Poren und bieten dadurch für viele chemische und thermische Vorgänge eine besonders große Reaktionsoberfläche. Sie können dadurch viel Wärmeenergie auf kleinem Raum puffern. Allerdings leitet das Zeolith die Wärme nicht besonders gut. Daher haben Heidrun Klostermann und ihr FEP-Team ein Verfahren entwickeln, um das Zeolith in Vakuumkammern mit einem Hauch von Aluminium zu überziehen. Diese Schichten sind reichlich 20 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) dünn. Sie sind so konzipiert, dass sie den Wasseraustausch zwischen den Speicherkörnern und der Umgebung nicht blockieren.

Metallorganische Hybridstrukturen sollen Energiedichte erhöhen

Künftig wollen die Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und –Wissenschaftler dieses Prinzip auch auf neue Hybridmaterialien übertragen, die Wärme noch besser als Zeolith puffern. „Wir denken da zum Beispiel ans metallorganische Strukturen mit hoher Energiedichte“, verrät Heidrun Klostermann.

Wärme macht 55 % des deutschen Energieverbrauchs aus

Künftig könnten derartige Wärmespeicher auch hierzulande größere Bedeutung gewinnen als bisher. Denn angesichts der ambitionierten deutschen Umweltschutzziele wird es nicht allein reichen, sich allein auf Elektroautos und erneuerbare Quellen für elektrische Energie zu fokussieren. „Wärme macht in Deutschland 55 Prozent des Endenergieverbrauchs aus“, argumentiert das FEP. „Um das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen, ist es dringend geboten, die Verwendung fossiler Brennstoffe zur Deckung dieses Bedarfs weitgehend zu vermeiden und stattdessen auf den Energielieferanten Nr. 1 zurückzugreifen: die Sonne. Die Strahlungsenergie, die die Erde von der Sonne innerhalb von 90 Minuten empfängt, entspricht etwa dem Weltenergieverbrauch eines ganzen Jahres.“

Beschichtete Absorberrohre für Solarkollektoren, wie sie so ähnlich beispielsweise in Solarthermie-Anlagen und -Kraftwerken im Einsatz sind.. Foto: Fraunhofer FEP

Beschichtete Absorberrohre für Solarkollektoren, wie sie so ähnlich beispielsweise in Solarthermie-Anlagen und -Kraftwerken im Einsatz sind.. Foto: Fraunhofer FEP

Hoffnung auf bessere Solarthermie-Kraftwerke

Konkret arbeitet das FEP zum Beispiel daran, Solarthermie-Anlagen, die Sonnenwärme auffangen und weiterleiten, noch einmal deutlich technologisch aufzuwerten. Im großen Maßstab sind Solarthermie-Kraftwerke bisher eher in südlichen, sonnenreichen Gefielden zu finden. Wenn es allerdings gelingt, ihre Ausbeute und Effizienz spürbar zu steigern, dann können sich solche Anlagen auch im eher kühlen, aber seit jeher energiehungrigen Deutschland lohnen. Daher arbeiten die Forscherinnen und Forscher am FEP Dresden nicht nur an den erwähnten Zeolith-Wärmezwischenspeichern, sondern auch an besser beschichteten Wärmeauffang-Röhren für Solarthermie-Anlagen. In diesen Absorberrohren fließt meist ein Öl als Trägerflüssigkeit, die entweder durch unmittelbare Sonneneinstrahlung oder durch große Sonnenspiegel erwärmt wird. Das FEP hat nun dünne Beschichtungen entwickelt, die dafür sorgen, dass diese Rohre möglichst viel sichtbares Licht und Ultraviolett-Strahlen einfangen, andererseits aber nicht zuviel Wärme gleich wieder in Form von Infrarotlicht verlieren.

Autor: Heiko Weckbrodt

Quelle: FEP

Repro: Oiger, Original: Madeleine Arndt