Aluminium-beschichtetes Zeolith
Wärme macht in Deutschland 55% des Endenergieverbrauchs aus. Um bis 2050 Klimaneutralität zu erreichen, müssen fossile Brennstoffe zur Deckung dieses Bedarfs weitgehend vermieden und stattdessen auf den Energielieferanten Nr. 1 gesetzt werden: die Sonne. Dünnschichtsysteme für Photovoltaik und Solarthermie tragen laut einer Medienmitteilung vom 12.10.2021 dazu bei, ein breites Spektrum der solaren Strahlung für Stromerzeugung und Wärme einzusammeln. Mit den vom Fraunhofer- Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP entwickelten Vakuumtechnologien können Schichten und Schichtsysteme rund um die Nutzung solarer Energie und die Speicherung von Wärme im industriellen Maßstab abgeschieden werden und einen Beitrag zur verstärkten Nutzung dieser wichtigen Energiequelle leisten.
Die Strahlungsenergie, welche die Erde von der Sonne innerhalb von 90 Minuten empfängt, entspricht etwa dem Weltenergieverbrauch eines ganzen Jahres – Solarthermie-Röhren in Berlin – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Zur effektiven Absorption der solaren Einstrahlung sind, gleich ob für die Photovoltaik oder für die Solarthermie, speziell entworfene und optimierte Schichtsysteme erforderlich. Dazu gehören im Bereich der Photovoltaik unter anderem Halbleiterschichten und Elektrodenschichten. Für die Solarthermie werden Absorberschichten mit hoher Absorption im sichtbaren und UV- und geringer Emission im infraroten Spektralbereich (IR) benötigt, um Verluste durch Wärmeabstrahlung gering zu halten.
Effektive Solarabsorber dank optimierter Schichtsysteme
Um solch eine optische Funktion zu realisieren, muss ein Schichtsystem aus mehreren Einzellagen erzeugt werden, deren Dicken sehr präzise abgestimmt und die reproduzierbar auf Absorberrohren von Solarröhrenkollektoren – dem Kollektortyp mit den geringsten Wärmeverlusten – abgeschieden werden. Das Absorberrohr befindet sich in einem evakuierten Hüllrohr, sodass das Schichtsystem vor Verschmutzung und etwaiger Degradation durch Luftbestandteile geschützt ist. Dennoch muss das Schichtsystem dauerhaft hohe Temperaturen aushalten, die das Absorberrohr annimmt, und auch bei zyklischer Temperaturbelastung langzeitstabil sein. Je höher die Temperatur im Wärmekreislauf, desto besser und vielfältiger kann sie genutzt werden, sei es direkt als Prozesswärme oder um bei hoher Temperatur Wärmespeicher aufzuladen.
Auch zur Entwicklung effizienterer Speichersysteme liefern Beschichtungen ihren Beitrag. Um die durch Photovoltaik absorbierte und bereit gestellte Energie zeitlich variabel nutzbar zu machen, wird aktuell umfangreich zu elektrischen Energiespeichern geforscht, die den zeitlichen Versatz zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch ausgleichen sollen.
Neue Beschichtungsprozesse für Speicherkonzepte mit Zeolith-Granulat
Für den Bereich Wärme übernimmt diese Funktion in vielen Wärmekreisen ein Wasserspeicher. Aber auch hier wird an besseren Speicherkonzepten gearbeitet, die eine höhere Speicherkapazität als Wasser haben und die platzsparender und verlustärmer gestaltet werden können. Darunter fallen zum Beispiel Adsorptionswärmespeicher, bei denen nanoporösem Zeolith-Granulat unter Zufuhr der zu speichernden Wärme Wasser ausgetrieben wird. Das entspricht dann der Beladung des Speichers mit Energie.
„Wenn das Speichermaterial mit wasserdampfbeladener Luft durchströmt wird, adsorbiert es Wasser und setzt dabei Wärme frei, die in Heizkreisen genutzt werden kann“, erläutert Heidrun Klostermann, Wissenschaftlerin am Fraunhofer FEP. „Damit das funktioniert, muss aber auch der Wärmeaustausch mit dem Speichermaterial effizient gestaltet werden, welches selbst keine gute Wärmeleitung aufweist. Das können Aluminium-Schichten bewerkstelligen, mit denen das Material umhüllt wird. Sie gewährleisten einen guten Wärmetransport und effizienten Wärmeübergang am Wärmetauscher.“ Neben der Ad- und Desorptionsdynamik des Speichermaterials ist dies ein wesentlicher Aspekt der Leistungsfähigkeit eines Speichersystems und von großem Einfluss auf dessen maximale sowie die durchschnittliche spezifische Wärmeleistung.
Das granulare Speichermaterial Zeolith wird im Vakuum als Schüttgut mit Aluminium bedampft. Der Anspruch guter Wärmeleitung setzt eine gleichmäßige, ausreichend dicke Schicht voraus. Die Forschenden am Fraunhofer FEP experimentieren mit Schichten von mehr als 20 Mikrometern Dicke. Diese werden mit einer Technologie realisiert, die sonst zur Folienbeschichtung genutzt wird. Schüttungen eines hochporösen Materials auf diese Weise gleichmäßig mit dicken Schichten zu versehen, ist daher eine große Herausforderung und die bisherigen Entwicklungen des Fraunhofer FEP sind durchaus einzigartig.
Der Prozess muss so gestaltet werden, dass die Schichten den Stoffaustausch zwischen Umgebung und Speichermaterial nicht behindern, das Material muss schließlich weiterhin Wasser aufnehmen und abgeben können, damit das Speicherprinzip funktioniert. Dass dieser Stofftransport durch die Schicht nicht behindert wird, zeigen vergleichende Adsorptionskurven von beschichtetem und unbeschichtetem Material.
Höhere Speicherdichten, kleinere Speichervolumina – Entwicklungen für Morgen
Insbesondere Entwickler neuartiger Speichermaterialien mit Fokussierung auf die Maximierung der Speicherkapazität sind an den innovativen Schichtentwicklungen des Fraunhofer FEP interessiert. Solche neuen Speichermaterialen sind vor allem Hybridmaterialien, die noch nicht großtechnisch gefertigt werden, wie das bei den Zeolithen der Fall ist. In der Regel werden sie nur in kleinen Mengen hergestellt und liegen in Pulverform vor. Am Fraunhofer FEP besteht damit künftig die Herausforderung, auch diese neuen Materialien in der Metallisierungsanlage zu behandeln. Speicherhersteller hoffen ebenfalls auf diese neuen Materialklassen, mit denen die genannten Vorteile gegenüber den etablierten Wasserspeichern ein noch stärkeres Gewicht erhielten: höhere Speicherdichte, kleinere Speichervolumina.
Interesse regt sich auch in einem weiteren Anwendungsfeld: bei der Kühlung mit Adsorptionskältemaschinen. Diese werden künftig, sei es stationär in Kombination mit solarer Wärme oder im Fahrzeugbau unter Nutzung von Abwärme aus Brennstoffzellenantrieben, einen Teil der derzeit beherrschenden Kompressionskältemaschinen ersetzen. Damit wird der Verbrauch konventionell erzeugter elektrischer Energie und fossiler Brennstoffe reduziert.
Die Wissenschaftler am Fraunhofer FEP stehen bereit, um für diese spannenden Anwendungsfelder Schichten an Einsatzgebiet und Nutzungsbedingungen anzupassen und zu optimieren.
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