Was ist Zeolith?
Zeolith wird als Speichermedium immer wichtiger. Denn Wärmespeicherung soll möglichst effizient, verlustfrei und über lange Zeiträume funktionieren. Diese Anforderungen werden von Zeolith erfüllt.
Zeolith ist ein kristallines Silikat, das sich vor Jahrmillionen unter Druck aus vulkanischer Asche bildete. Seine Oberfläche ist gleichmäßig, gitterförmig, porös und löchrig. Sie ist von kleinen Kanälen, Rissen, Vertiefungen, Hohlräumen und Mulden durchzogen. Kationen und Wassermoleküle sind in den Hohlräumen eingelagert. Sowohl die Kationen als auch die H2O-Moleküle besitzen aufgrund ihrer hohen Beweglichkeit eine ausgeprägte Ionenaustauschfähigkeit. Die Größe der Kanäle in der Zeolithkristallstruktur ist ausreichend, um Fremdmoleküle und Ionen durchzulassen. Aufgrund dieser Eigenschaft gilt Zeolith in der Wissenschaft als effektiver Ionenaustauscher und Wärmespeicher.
Die kristallinen Alumosilikate kommen in zahlreichen Modifikationen in der Natur vor, können aber auch synthetisch hergestellt werden.
Die Einsatzbereiche von Zeolith
Anwendungsbeispiele für natürliche oder synthetische Zeolithe und ihre Modifikationen finden sich in vielen Bereichen. Die Vielseitigkeit der kristallinen Alumosilikate wird unter anderem durch das Produkt ZeolithMED verdeutlicht. Aufgrund seiner starken schadstoffbindenden und -absorbierenden Eigenschaften hat Zeolith die Fähigkeit, auch freie (sauerstoffbasierte) Radikale im Darm zu neutralisieren. Dadurch zeigt es eine antioxidative Wirkung. In Form von Pulver und Kapseln wird Zeolith beim Menschen zur Entgiftung des Körpers und zur Entlastung der Leber eingesetzt.
Neben dem medizinischen Bereich wird Zeolith unter anderem zur Trennung chemischer Stoffe, in Wärmespeicherheizungen und als Stickstoffabsorber in industriellen Großanlagen eingesetzt. Im täglichen Leben findet man Zeolith als Bestandteil von Spül- und Waschmitteln, wo es einerseits den Trocknungsprozess unterstützt und andererseits als Wasserenthärter wirkt. Mittlerweile haben einige Geschirrspüler, wie zum Beispiel der Siemens iQ500 speedMatic, ein Zeolith-Trockenfunktion. Außerdem wird es im Zoofachhandel zur Reinigung oder zum Sauberhalten von Aquarien- und Teichwasser angeboten.
Die Funktionsweise eines Zeolith-Wärmespeichers
Zeolith-Wärmespeicher bieten ein hohes Potenzial zur Bereitstellung flexibler und großer Speicherkapazitäten. Im Vergleich zu konventionellen Wärmespeichern in Form von Wasserspeichern weisen sie mit 200 bis 300 Kilowattstunden pro Kubikmeter (kWh/m³) eine deutlich höhere Speicherdichte auf als Wasser mit nur etwa 60 kWh/m³. Zudem sind Zeolith-Wärmespeicher in der Lage, die Energie über Jahre hinweg verlustfrei zu speichern.
Wärmespeicher auf Zeolith-Basis speichern im Inneren des hochporösen Materials Energie in Form von adsorbiertem Wasserdampf. Ein zeitweiliger Wärmeüberschuss, der zum Beispiel im Sommer aus einer solarthermischen Anlage oder aus industriellen Prozessen, bei denen Abwärme entsteht, anfällt und zeitversetzt zum Beispiel im Winter für Heizzwecke benötigt wird, kann genutzt werden, um das Zeolithgranulat zu trocknen und damit den Speicher zu beladen.
Durch die Zugabe von Wasserdampf kann die Adsorptionsenergie im Zeolith in Form von Wärme freigesetzt werden und somit für Heizzwecke genutzt werden. Während der Speicherung liegt die Energie nicht als Wärme vor, wodurch die unvermeidlichen schleichenden Verluste durch Wärmeableitung vermieden werden. In der Folge sind längere Speicherintervalle möglich als bei der direkten (sensiblen) Wärmespeicherung.
Aktuelle Herausforderungen – noch nicht die Ideallösung
Der Wärmeübergang zwischen Speichermaterial und Wärmeübertrager ist ein bislang ungelöstes Problem des Sorptionsspeicherkonzeptes. Einer effektiven Be- und Entladung stehen hohe Wärmeübergangswiderstände zwischen den wärmeaufnehmenden und wärmeabgebenden metallischen Strukturen und dem als Granulat vorliegenden Zeolith sowie in der Zeolithschüttung selbst entgegen. Versuche zum direkten Aufbringen von Zeolith-Material als Dickschicht auf metallische Träger scheitern an der mangelnden Zyklenstabilität dieses Metall-Mineral-Verbundes. Bei zeolithgefüllten Metallrohren ist dagegen das Volumenverhältnis von Träger- zu Speichermaterial unbefriedigend.
Eine Lösung zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Speichermaterial und Wärmetauscher kann die Form des Zeoliths sowie die Art der Schichtung des Zeolithgranulats sein. Während Schüttungen aus Zeolith-Perlen eine eher schlechte thermische Leistung aufwiesen, zeigten komplexere Formkörper aus bindemittelfreiem Zeolith bessere Ergebnisse. Dies ist hauptsächlich auf die offenere Porenarchitektur der Wabenwand, verglichen mit der von Zeolithperlen, zurückzuführen.
Aktive Forschung soll Fortschritt auch in der Industrie sichern
Eine der zukünftigen Herausforderungen auf dem Weg zur Klimaneutralität und Rohstoffunabhängigkeit Deutschlands ist die Sicherstellung einer CO2-neutralen und von Öl- und Gasimporten unabhängigen Wärmeversorgung von Neubauten und Bestandsgebäuden. Die Versorgung von Gewerbe- und Dienstleistungsbetrieben mit erneuerbarer Wärme bei Temperaturen über 100 °C ist derzeit mit marktverfügbaren Technologien kaum realisierbar.
Vor diesem Hintergrund wird ein Projekt namens „Adsorptionswärmespeicher für die gewerbliche Wärmewende“ am 1. Juli 2023 offiziell starten. Gefördert wird es von der Carl-Zeiss-Stiftung mit 892.500 Euro. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines zeolithbasierten Wärmespeichers, der regenerative Wärme speichern und bei industriell relevanten Temperaturen von über 100 °C bereitstellen kann. Durch Simulationsrechnungen und umfangreiche Laborversuche soll das Engineering eines Zeolith-Wärmespeichers vertieft erarbeitet und die Umsetzung an einem Industriestandort vorbereitet werden. Die Ermittlung optimaler verfahrenstechnischer Parameter und werkstofftechnischer Analysen gehören ebenso dazu wie die Untersuchung konstruktiver Merkmale.
Das Projekt wird in Kooperation zwischen der EAH Jena (Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien und Speicher & Arbeitsgruppe Funktionskeramik) und der Universität Stuttgart (Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung) bearbeitet. Es ist davon auszugehen, dass die Forschungsergebnisse auch positive Auswirkungen auf Zeolith-Wärmespeicher für die Versorgung von Privathaushalten haben werden.
Zeolith – in mehrfacher Hinsicht ein Gewinn für das Klima
Zeolith hat angesichts intensiver Forschung das Potenzial, den weltweiten Heizenergiebedarf deutlich zu senken und damit wertvolle Ressourcen zu schonen. Doch wie weitreichend der künftige Einsatz von Zeolith sein kann, zeigt ein neues Verfahren zur Entfernung von CO2 aus der Umgebungsluft des norwegischen Forschungsinstituts Sintef.
Zeolith als zentrale Basis des Verfahrens zieht das Treibhausgas magisch an und speichert es in seinen Poren. Mit Zeolithen und Technologien, die mikroporöse Absorber verwenden, hat Sintef langjährige Erfahrung. In der Luft liegt der CO2-Gehalt bei einem sehr geringen Wert von 0,04 %. Um das CO2 zu konzentrieren, wird die Luft in einem ersten Schritt getrocknet und gekühlt. Danach wird sie durch eine Schüttung aus Zeolithen geleitet und dort angereichert. Ist eine Sättigung von 95 Prozent erreicht, wird die Keramik wieder „regeneriert“. Bei diesem Vorgang wird das Klimagas wieder freigesetzt und in Wasser geleitet. Dieses verpressen die Technologieentwickler in unterirdische Basaltformationen.
Das CO2-Wasser-Gemisch mineralisiert innerhalb von ein bis zwei Jahren. Es wird zu Gestein, das das gespeicherte Gas nie wieder freigibt. Die geplante, erste Anlage, die in Island errichtet wird, soll der Atmosphäre jährlich 1 Mio. Tonnen CO2 entziehen.
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