Prozesswärme Aus Abwärme mach Prozesswärme: Bringt Keramik die Wärmewende?

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Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

Energie geht nicht verloren - sie wird lediglich umgewandelt. Fast alle Energie wird so irgendwann als Wärme abgestrahlt. Doch anstelle das einfach hinzunehmen, fragen sich immer mehr Firmen, wie sich diese Abwärme nutzen lässt. Hat ein Projekt des Fraunhofer ISE eine Antwort?

Am Ende des Tages wird (fast) alles Wärme: Alle Energieformen können vollständig in Wärme umgewandelt werden. Bei Industrieprozessen entsteht so oft Abwärme, die meist ungenutzt in die Umgebung abgegeben wird. Denn: So leicht die Umwandlung in Richtung Wärme ist, andersherum ist es deutlich schwieriger. Energie, die einmal als Wärme vorliegt, kann man nicht vollständig in eine andere Energieform zurückgewandelt werden. Könnte man diese überschüssige Wärme nicht einfach direkt nutzen? Auch das ist nicht einfach, liegt doch Abwärme typischerweise bei mittleren bis niedrigen Temperaturen vor, zu wenig für typische Prozesswärmeaufgaben.

Und so bleibt das Nutzen von Abwärme manchmal ein Traum – bis jetzt. Ließe sich diese Verlustenergie auffangen und Speichern, könnte Nutzärme für eine Vielzahl an Anwendungen zur Verfügung stehen. An dieser Idee arbeitet unter anderem das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE mit Partnern aus der Industrie. Das Mittel zum Zweck: Feste Füllkörper statt teurer Hochtemperaturfluide.

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Denn im Hochtemperaturspeichern (2500 ° C bis 6000 ° C) kommen typischerweise Thermalöle und Salzschmelzen als Arbeitsfluide zum Einsatz. Setzt man feste Füllkörper als Speichermedium in thermischen Speichern ein, lässt sich die Füllmenge an diesen teuren Speichermedien reduzieren. Zudem werden andere kostengünstige gasförmige Arbeitsfluide wie Luft damit möglich, die Temperaturen bis 1000 ° C und mehr zulassen.

30 Prozent sparsamer als Themralöl-Speicher

Nutzt man feste Füllkörper mit der gleichen oder im besten Fall einer höheren thermischen Kapazität als ein Thermalöl, ergibt sich ein Kosteneinsparpotenzial von etwa 300 Prozent. Das meint zumindest Projektleiter Julius Weiss vom Fraunhofer ISE: „Im Projekt haben wir untersucht, welche Form, Größe und Eigenschaften wie Dichte und Wärmeleitfähigkeit solche Füllkörper haben sollten. Ziele waren ein möglichst guter Wärmetransport und eine möglichst kompakte Schüttung im Speicher.”

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Bei den keramischen Füllkörper der Firma Kraftblock handelt es sich um ein kostengünstiges Recyclingmaterial, Phosphatbinder und Additiven. Die Füllkörper wurden in unterschiedlichen Formen hergestellt, um den Einfluss der Geometrie auf die thermische Effizienz des Speichers zu untersuchen, erklären die Forscherinnen und Forscher. Außerdem wurde die Kompatibilität mit unterschiedlichen Hochtemperaturmedien wie etwa Thermalölen oder Salzschmelzen anhand von Auslagerungsversuchen untersucht. Anschließend wurden Füllkörper und Fluide chemisch analysiert und eine Prüfung der mechanischen Stabilität durchgeführt.

Prozesswärme kommt auf den Prüfstand

Zur Untersuchung wurde eine Teststand mit einem Wassersstrom verwendet, da Wasser sich unter bestimmten Bedingungen physikalisch wie eine Salzschmelze verhält. Dabei zeigten verschiedene Füllkörperkonfigurationen unterschiedliche Temperaturprofile und zeitliche Verläufe bei zyklischer Be- und Entladung der Speicher. Eine ausgewählte Konfiguration der Füllkörper wurde zusätzlich in einem Salzschmelzespeicher des Fraunhofer ISE experimentell vermessen.

Mit den Ergebnissen wurden bereits Demonstrationsversuche bei Comet Schleifscheiben zur Speicherung von Abwärme der Keramiköfen durchgeführt. Dabei wird die Wärme durch einen in einem Kamin integrierten Wärmetauscher zurückgewonnen, wobei die Drurchmischung mit kühler Umgebungsluft besondere Herausforderungen stellt.

Wärme aus der Dose dank Abwärmenutzung

Welcher Speicher letzten Endes die Nase vorne hat, hängt jedoch auch stark vom jeweiligen Produktionsprozess und denTemperaturniveaus, Volumenströmen, der Flexibilität bei der Reintegration der Wärme, prognostizierte Zyklenzahl und dem zur Verfügung stehenden Platz ab, so die Projektverantwortlichen. Prozesse von der Papier-, Lebensmittel-, oder Chemieindustrie bis zur Dampferzeugung in einem Temperaturbereich zwischen 150 und 9000 ° C sind jedenfalls prinzipiell für die Zwischenspeicherung und Nutzung industrieller (Ab)Wärme geeignet.

Prozesswärme Energiewende

Die Dampf-Alternative: Energiespeicher für die Wärmewende

„Nicht nur die Rückgewinnung von Wärme ist für die Industrie spannend. Auch das Thema Power2Heat wird immer wichtiger, da immer mehr Prozesse elektrifiziert werden”, erklärt Dr. Thomas Fluri, Gruppenleiter Klimaneutrale Industrieprozesse und Hochtemperaturspeicher. So kann Wärme in Zeiten günstiger Strompreise erzeugt und für den ganzen Tag verfügbar gemacht werden. Damit lässt sich eine Lastverschiebung aus Spitzen- in Randzeiten erreichen, was den Unternehmen nicht nur Kosten spart, sondern auch die Stromnetze entlastet. „Für die Wärmewende sind Hochtemperaturspeichertechnologien und -systeme ein wichtiges Thema. Wir benötigen mehr Demonstratoren, die zeigen, wie sich die Speicher auch im Großmaßstab umsetzen lassen.”

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