Mit Vakuum und Vulkan­gestein Wärme speichern

Prototyp in Echtgröße: Der vakuumsuperisolierte Wärmespeicher hat ein Fassungsvermögen von 6,5 Kubikmetern. Er befindet sich am ZAE Bayern in Garching und ist in die solare und konventionelle Heizwärmeversorgung eingebunden.  (Bild: ZAE)

Prototyp in Echtgröße: Der vakuum­super­isolierte Wärme­speicher hat ein Fassungs­vermögen von 6,5 Kubik­metern. Er befindet sich am ZAE Bayern in Garching und ist in die solare und konven­tionelle Heiz­wärme­versorgung ein­gebunden. (Bild: ZAE)

Um den Anteil der Solarthermie in der Wärmeversorgung zu erhöhen, sind effizientere Speicher eine wichtige Voraussetzung. Das Bayerische Zentrum für Angewandte Energie­forschung (ZAE) hat in Zusammen­arbeit mit dem Stahl- und Metall­baubetrieb Hummelsberger einen Speicher entwickelt, dessen Hülle eine sehr geringe Wärmeleit­fähigkeit aufweist. Ein Vakuum zwischen Innen- und Außentank sowie eine Perlit­pulver-Füllung im Zwischen­raum ermöglichen die guten Dämmwerte.

Anders als Wärmeleitung und Konvektion findet Wärmestrahlung auch im Vakuum statt: Jeder Körper strahlt elektro­magnetische Wellen mit einem für seine Temperatur charakteris­tischen Spektrum ab und befindet sich so im Energie­austausch mit seiner Umgebung. Um diesen Mechanismus zu minimieren, wird in den Ringspalt das poröse und daher kaum wärme­leitende Vulkan­gestein Perlit eingebracht. Die Strahlung wird in der Pulver­schüttung absorbiert und homogen in alle Richtungen reemittiert. Zusätzlich findet Streuung an den Pulver­körnern statt. Dadurch reduziert sich die Wärme­strahlung auf die Außenwand des Behälters drastisch.

Die Perlit-basierte Vakuumsuperisolation (VSI) dämmt bei 100 °C etwa fünffach besser als trockene konven­tionelle Wärme­isolation bei optimalem Einbau. Die niedrigste erreichte Wärme­leit­fähigkeit des Perlits betrug bei Speicher­tempera­turen von ca. 100 °C im Labor etwa 0,008 W/mK. Bei 200 °C Speicher­temperatur werden etwa 0,011 W/mK erreicht. Ein bei der Firma Hummelsberger instal­lierter 16,5 m³ Prototyp erzielte im Winter über einen Mess­zeitraum von zwei Monaten 0,009 W/mK bei 90 K über Umgebungs­temperatur, das entspricht nur 0,2 Grad Abkühlung pro Tag. In diesem Wert sind Anschluss­verluste bereits enthalten. Wärme­brücken beim VSI-Speicher sind die Anschlüsse für Solar­anlage und Heizungs­system sowie die Befestigung des Innentanks im Außentank. Da die Leitungen und Speicher­halterungen sich über lange Strecken im evakuierten Perlit befinden oder aus gering­leitendem Material bestehen, beträgt ihr Anteil an den berechneten Gesamt­verlusten nur 0,3 %. Eine weitere Ursache für diesen geringen Wert ist die große Speicher­ober­fläche im Vergleich zur Quer­schnitts­fläche der Rohrleitungen.

Perlit ist ein natürlich vorkommendes Mineral vulkanischen Ursprungs. Das harte Grundmaterial Obsidian („vulkanisches Glas“) wird durch Alterung und Feuchtig­keits­aufnahme zu sogenanntem Rohperlit umgewandelt. Dieses hat einen relativ hohen Wasser­gehalt. Das im Tagebau abgebaute Rohperlit weist eine Dichte von 900 bis 1.000 kg pro Kubikmeter auf und kann als fast unerschöpflicher Rohstoff bezeichnet werden. Für die weitere Verwendung wird das Rohperlit auf 850 bis 1000 °C aufgeheizt. Dadurch verdampft das gespeicherte Wasser aus dem Material und erzeugt eine mikroporöse Struktur. Danach wird das Rohperlit abgekühlt und erlangt dadurch seine mechanische Stabilität zurück. Das so behandelte „geblähte Perlit“ hat, verglichen mit dem Roh­material, eine wesentlich geringere Dichte von 30 bis 240 kg/m³. Die geringe Dichte und die hohe Porosität machen das geblähte Perlit zu einem für eine Vakuum­super­isolation geeigneten Material mit geringer Festkörper­wärme­leitung. Weitere positive Eigenschaften des Perlits sind der niedrige Preis von etwa 50 Euro pro Kubikmeter und die Temperatur­beständig­keit bis 800 °C. Zudem ist es ungiftig und nicht brennbar. Perlit hat eine hohe Porosität und daher relativ gute Dämmeigenschaften auch ohne Evakuierung. Eine zusätzliche kosten­günstige Evakuierung ins Feinvakuum (< 1 mbar) reicht in Kombination mit dem Vulkangestein zur totalen Unter­drückung der Gaswärme­leitung aus.

Der vakuumsuperisolierte Heißwasserspeicher kann über mehrere Wochen oder Monate Wärme speichern. So lassen sich bei kleinen und mittel­großen Bestands­gebäuden mit Niedrig­energie­haus­standard hohe solare Deckungs­anteile erreichen. Der Langzeit­wärmespeicher wird bereits in mehreren Ein- und Mehrfamilienhäusern eingesetzt. (Quelle: ZAE / vip-journal.de)

Link: Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung (ZAE)

 

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