Prof. Dr. Olaf Adan von der TU Eindhoven mit dem Demonstrator der Salz-Wärmebatterie.
Prof. Dr. Olaf Adan von der TU Eindhoven mit dem Demonstrator der Salz-Wärmebatterie.
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Heizen mit Salz

Im niederländischen Eindhoven tüfteln Wissenschaftler am Wärmespeicher der Zukunft. Die wichtigste Zutat liefert Evonik.

Die Sonne ist unsere Wärmequelle Nummer eins. Mit ihrer Energie auch Wohnungen zu heizen ist naheliegend und klimaschonend. Und zunehmend beliebt: Allein in Deutschland sind laut Bundesverband Solarwirtschaft knapp 2,4 Millionen Solarthermieanlagen im Einsatz. Zuletzt kamen pro Jahr rund 71.000 neue dazu. Sie sammeln Sonnenstrahlen, um damit Warmwasser und Heizwärme zu generieren. In Summe konnten so allein 2018 rund zwei Millionen Tonnen CO₂ eingespart werden. Das Problem dabei: Immer dann, wenn die Sonne ganz besonders kräftig scheint, ist weniger Heizenergie gefragt. Und umgekehrt können die Sonnenkollektoren an allzu kalten und bewölkten Tagen nicht ausreichend Energie sammeln. So bleiben Hausbesitzer dann doch von anderen Energiequellen abhängig. Abhilfe schaffen Speicher, die bei prallem Sonnenschein Energie konservieren und später bei Bedarf wieder abgeben. Dazu gibt es bereits verschiedene Technologien. Die sind unterschiedlich effizient und unterschiedlich teuer. Perfekt ist noch keine. Das könnte sich ändern mit einer Erfindung, die gerade an der Technischen Universität Eindhoven entwickelt wird.

Projekt HEAT-INSYDE mit TU Eindhoven
Die sogenannte Wärmebatterie des Projekts HEAT-INSYDE basiert auf thermochemischer Energie und einem seit Langem bekannten Phänomen: Wenn bestimmte Salzkristalle Wasser aufnehmen, geben sie dabei Wärme ab. Nutzt man etwa überschüssige Sonnenwärme, um ein solches Salz zu trocknen, so kann man diese eingebrachte Energie später abrufen, indem man einfach wieder Wasserdampf zum Salz gibt. Bleibt das Salz bis dahin schön trocken, bleibt auch die gespeicherte Energie erhalten – theoretisch unendlich lange.
So simpel das Prinzip, so erfrischend einfach ist auch die Technik, um es zu nutzen. Sie kommt mit vier Komponenten aus: einem Wärmetauscher, einem Ventilator, einem Verdampfer beziehungsweise Kondensator und einem Reaktor. Das echte Geheimnis und das wissenschaftliche Know-how stecken im Reaktor und im Salz. Unter Hunderten Kandidaten das richtige Salz zu finden war vor einigen Jahren Inhalt einer aufwendigen Doktorarbeit an der TU Eindhoven. Eine hohe Energiedichte sollte es haben. Günstig und stabil musste es sein. Und natürlich ungiftig und einfach zu handhaben. Schließlich sollen die neuen Wärmespeicher jahrzehntelang im Keller von Wohngebäuden arbeiten.

Die Pottasche wird in Eindhoven nachbehandelt.
Die Pottasche wird in Eindhoven nachbehandelt.

Inspiration aus der Küche
Die Wahl fiel schließlich auf Kaliumcarbonat, auch Pottasche genannt. Die kennt man aus der Küche, wo sie als vielseitiger Haushaltshelfer und Backtriebmittel verwendet wird – besonders in Lebkuchen. Aber auch zahlreiche Industrien, von der ­Kakaoproduktion bis zur Glasherstellung, setzen auf Pottasche. ­Evonik produziert sie seit 70 Jahren in Lülsdorf bei Köln. Mit mehreren Zehntausend Tonnen Jahreskapazität ist der Spezialchemiekonzern einer der größten Produzenten weltweit. Gewonnen wird Pottasche durch die ­Reaktion von Kalilauge mit Kohlendioxid zu einer Pott­asche-Lösung. Die Kalilauge stellt Evonik in einem Joint Venture mit Nouryon im nordrhein-westfälischen Ibbenbüren her. Als Grundstoff dient Kaliumchlorid. Das Salz wird wie Kochsalz auch in europäischen Salzbergwerken abgebaut.

Mit dem Forschungsprojekt tut sich für das Traditionsprodukt nun ein potenziell riesiger Markt auf. Besonders erfreulich dabei: Das zwar vielseitige, aber auch vermeintlich altmodische Produkt könnte mit einem Schlag wichtiger Baustein werden zum Gelingen der Energiewende. Dazu beteiligt sich Evonik als einer von zwölf internationalen Projektpartnern an HEAT-­INSYDE. Die Europäische Union fördert das Projekt bis 2024 mit 7,7 Millionen €. Die wissenschaftliche Leitung liegt beim Forschungs­bereich Materialwissenschaft der TNO. Das Kürzel steht für Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek oder angewandte naturwis­sen­schaftliche Forschung. Dahinter steckt das niederländische Gegenstück zur deutschen Fraunhofer-Gesellschaft.

Heiße Luft
Am Forschungsinstitut in Eindhoven steht dann auch der bislang einzige voll funktionsfähige Prototyp der Wärmebatterie. In seinem Reaktor liegt ein Bett aus einem komplexeren Pott­asche-Salz-Komposit, durch das ein Ventilator heiße, trockene Luft bläst. Erhitzt wird der Luftstrom per Wärmetauscher etwa mit überschüssiger Solarenergie. Die heiße Luft erhitzt das Salz, es trocknet aus und gibt dabei Wasserdampf an den Luftstrom ab. Ein Kondensator holt das Wasser aus der Luft, bis das Salz komplett dehydriert ist. Dann ist die Batterie geladen. Zum Entladen bläst der Ventilator wieder Luft – diesmal kalt und feucht – durch das trockene Salzbett. Das Salz nimmt die Feuchtigkeit auf und erhitzt dabei die Luft auf deutlich über 60 Grad Celsius. Diese Temperatur lässt sich per Wärmetauscher dann für Heizung und Warmwasserbereitung abgreifen.

Gemeinsam wollen die Projektpartner auf dieser Basis bis spätestens 2022 sieben kompakte und alltagstaugliche Prototypen bauen. Die werden dann in Einfamilienhäusern in den Niederlanden, Polen und Südfrankreich ihren Praxistest unter verschiedenen klimatischen Bedingungen bestehen müssen.

Verlockende Aussicht
Schon jetzt gibt es massenweise Bewerber für die Testreihe. Das liegt daran, dass die technischen Eckdaten für Hausbesitzer so verlockend klingen: Für einen durchschnittlichen Vier­personen­haushalt reicht ein Speicher von der Größe einer Waschmaschine. Dieser kann so viel Energie speichern, dass er damit zwei Wochen lang ohne Sonne Wärme abgeben kann. Mehr muss laut Wetterstatistik in Mitteleuropa niemand je überbrücken. Bei gleicher Leistung nähme die Wärmebatterie damit nur halb so viel Raum ein wie gängige Stromspeicher auf Lithium-­Ionen-Basis. Die Kosten betrügen zugleich weniger als ein Zehntel. Gängige Warmwasserspeicher sind heute zwar ähnlich günstig, nehmen aber gut zehnmal so viel Raum ein.

Was keine andere Technologie kann: Die Salzbatterie speichert Energie auch über Monate verlustfrei. Zudem soll sie 20 Jahre lang funktio­nieren. Ohne komplizierte Elektronik und mit nur einem kleinen Ventilator als einzigem beweglichen Teil wäre sie zudem wenig wartungsanfällig und flüsterleise. Das Salz selbst ist zu 100 Prozent recycelbar.

Wie so oft, steckt hinter der simplen Erfindung in Wahrheit ein gehöriges Stück wissenschaftlicher Arbeit. So tüfteln die Wissenschaftler noch am optimalen Aufbau des Salz­betts, um den Luftstrom möglichst effizient durch den Reaktor zu leiten. Um das Salz über Jahrzehnte formstabil zu halten, wird es mit Zusätzen verarbeitet. Deren Rezeptur bleibt streng gehütetes Betriebsgeheimnis. Eine weitere Doktor­arbeit beschäftigt sich nun damit, wie man gezielt in die Kristallstruktur der Pottasche eingreift, um die Ladegeschwindigkeit und die Speicherleistung weiter zu steigern. Da ist dann von Evonik aus Lülsdorf in Nordrhein-West­falen nicht nur Material gefragt, sondern geballtes Know-how aus 70 Jahren Produkterfahrung.

Prof. Olaf Adan (l.) und Dr. Georg Dürr von Evonik tauschen sich regelmäßig dazu aus.
Prof. Olaf Adan (l.) und Dr. Georg Dürr von Evonik tauschen sich regelmäßig dazu aus.