Entwicklung und Demonstrationsbetrieb eines anwendungsnahen, wasserstoffbasierten Hochtemperatur-Wärmespeichersystems – HyHeatStore

Ein Schlüsselelement für eine zukünftige Energieversorgung wird die Speicherung von Wärme sein. Wärmespeicher sind für den Ausgleich bei fluktuierenden Energiemengen notwendig und können auch bei der Rückverstromung von solarer Wärme oder industrieller Abwärme eingesetzt werden. Weiterhin können sie als Power-to-Heat-Speicher betrieben werden, die bei zukünftig weiter steigendem Anteil regenerativer Energie einen wesentlichen Beitrag zur Flexibilisierung des Stromnetzes leisten können.

In dem von der EU kofinanzierten NRW-Projekt „HyHeatStore“ wurde ein thermochemischer, wasserstoffbasierter Hochtemperatur-Wärmespeicher sowie die Peripherie zum Betrieb des Speichers entwickelt, gefertigt, am Anwenderzentrum h2herten, Herten, installiert und in Betrieb genommen.

Die thermische Entladung des Wärmespeichers beruht auf der reversiblen, exothermen Reaktion eines geeigneten Metalls mit Wasserstoff unter Bildung von Metallhydrid. Bei dieser Reaktion wird Wärme frei, während bei der Rückreaktion, der Zersetzung des Metallhydrids, Wärme benötigt wird, wodurch der Wärmespeicher mit Wärme beladen wird. Die gespeicherte Wärme kann bei Bedarf anschließend wieder nahezu verlustfrei als Hochtemperaturwärme der energetischen Nutzung zugeführt werden.

Kernelement des Speichers ist ein Thermoblech-Wärmeübertrager, zwischen dessen Platten sich die Schüttung des Speichermaterials (ca. 330 kg Magnesium mit 5 Gew.-% Eisen) befindet. Wärmeein- und -austrag erfolgen über die Platten des Wärmeübertragers durch darin strömendes Thermoöl im Temperaturbereich zwischen 370 °C und 400 °C. Durch Zufuhr von Wasserstoff in die Schüttung erfolgt die Hydrierung des Materials unter Wärmefreisetzung, durch Entspannung des Wasserstoffs erfolgt wiederum die Dehydrierung unter Wärmeaufnahme. Der Speicher besitzt eine theoretische Wärmespeicher-Kapazität von 250 kWh und die angestrebte Wärmeleistung war 50 kW.

An dem Anwenderzentrum h2herten stand und steht für das Projekt eine geeignete, hochentwickelte technische Infrastruktur zur Verfügung, dessen zentrales technologisches Element das dort installierte wasserstoffbasierte Energiekomplementärsystem ist, welches für den Betrieb des Wärmespeichers genutzt wird.

Entwicklungspartner waren das IUTA, das Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr, das Westfälische Energieinstitut der Westfälischen Hochschule Gelsenkirchen und die Martin Busch & Sohn GmbH in Schermbeck.

Mit dieser Anlage wurde die technische Umsetzbarkeit der im Labormaßstab über hunderte von Zyklen demonstrierten stabilen Ein- und Ausspeicherung von Wärme aufgezeigt.

Der Speicher wurde im Juni 2022 erfolgreich in Betrieb genommen. Die erzielten Ergebnisse übertrafen die erwarteten Werte in Bezug auf die spezifischen nutzbaren Wärmemengen und die Wärmeübertragungsleistungen. Diese Werte konnten jedoch innerhalb des Durchführungszeitraums nicht mehr für verschiedene Betriebsbedingungen des Speichers verifiziert werden. Daher soll in einem Folgevorhaben ein Versuchsprogramm mit systematischer Variation der Betriebsbedingungen durchgeführt werden, um die Betriebsparameter für den Speicher für unterschiedlichste Anwendungsaufgaben zu ermitteln. Für eine spätere Kommerzialisierung ist weiterhin auch das Verhalten beim Langzeitbetrieb wichtig, um die – im Labor nachgewiesene – Stabilität des Speichermaterials aufzuzeigen.