11. August 2021
Thermochemische Speicher

Kli­ma­neu­tral hei­zen mit Kalk – DLR ent­wi­ckelt Pi­lot­an­la­ge

Thermochemischer Kalkspeicher
Ther­mo­che­mi­scher Kalk­spei­cher
Bild 1/2, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Thermochemischer Kalkspeicher

Das DLR ent­wi­ckelt ei­ne Pi­lot­an­la­ge zum kli­ma­neu­tra­len Hei­zen mit Kalk. Da­mit las­sen sich im Som­mer er­neu­er­ba­re Ener­gi­en zum Hei­zen im Win­ter spei­chern.
Erstes adaptives Hochhaus der Welt
Raus aus dem La­bor in den rea­len Ein­satz
Bild 2/2, Credit: Universität Stuttgart

Raus aus dem Labor in den realen Einsatz

Der ther­mo­che­mi­sche Kalk­spei­cher soll im ers­ten ad­ap­ti­ven Hoch­haus der Welt ge­tes­tet wer­den.
  • Das DLR entwickelt eine Pilotanlage für klimaneutrales Heizen mit Kalk.
  • Die DLR-Forschenden wollen die thermochemische Speichertechnologie alltagstauglich weiterentwickeln.
  • Das DLR und die Universität Stuttgart testen eine Pilotanlage gemeinsam im ersten adaptiven Hochhaus der Welt.
  • Schwerpunkte: Energie, Energiespeicher, Klimawandel

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt eine Pilotanlage eines thermochemischen Kalkspeichers. Basis des Wärmespeichers ist gebrannter Kalk. Mit diesem lassen sich Gebäude klimaneutral heizen. Gemeinsam wollen das DLR-Institut für Technische Thermodynamik und die Universität Stuttgart die Technologie zum ersten Mal außerhalb eines Labors testen. Das Ziel ist es, bis zum Jahr 2023 Kalkspeicher für den Einsatz im Gebäudesektor weiterzuentwickeln.

Das Besondere an Kalkspeichern ist, dass sie nahezu keine Wärmeverluste haben. Kalk kann Energie über Monate chemisch speichern. Ein solcher thermochemischer Speicher eignet sich sehr gut als saisonaler Speicher. So lassen sich erneuerbare Energien im Sommer einspeichern und im Winter nutzen.

Energiewende im Wärmesektor

„Energiespeicher ermöglichen uns in Abhängigkeit von Tages- oder auch Jahreszeiten, auf schwankenden Energiebedarf zu reagieren. Das DLR arbeitet intensiv an verschiedenen Speichertechnologien und -medien, die mittel- und langfristig für die Energiewende unverzichtbar sind“, erklärt Prof. Karsten Lemmer, Mitglied des DLR-Vorstandes für Innovation, Transfer und wissenschaftliche Infrastrukturen. „Deutschland hat es sich zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 80 Prozent der Energie aus erneuerbaren Quellen zu gewinnen. Doch um die Netz- und Systemsicherheit zu gewährleisten, muss die Versorgung effizient und flexibel sein. Energiespeicher stellen einen wichtigen Schlüssel dar, um einen Ausgleich zwischen Angebot und Nachfrage zu schaffen.“

In Deutschland machen Heizen und Warmwasser über 80 Prozent des Energiebedarfs eines durchschnittlichen Haushalts aus. Aktuell deckt sich dieser Bedarf vor allem aus fossilen Energieträgern. Bisher gibt es kaum Möglichkeiten, im Winter effektiv mit erneuerbaren Energien zu heizen. Denn im Winter ist der Wärmebedarf besonders hoch. Große Mengen erneuerbarer Energien lassen sich jedoch vor allem im Sommer gewinnen, zum Beispiel durch Fotovoltaik oder konzentrierte Solarenergie. Thermochemische Langzeitspeicher können hier einen saisonalen Ausgleich schaffen.

Heizen mit Kalk und Wasser

Das DLR-Institut für Technische Thermodynamik forscht seit mehreren Jahren intensiv an der Kalkspeichertechnologie. „Im Labor konnten wir bereits eine Heizleistung von acht Kilowatt erreichen. Damit lässt sich ein kleineres Einfamilienhaus beheizen. Da die erzeugte Wärme nahezu vollständig innerhalb des Gebäudes genutzt wird, sind Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent möglich“, betont Dr. Matthias Schmidt, DLR-Forscher und Projektleiter für die Entwicklung der Pilotanlage.

Ein großer Vorteil von Kalkspeichern ist, ihre Speicherkapazität lässt sich einfach an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen. Je mehr Kalk eine Anlage enthält, desto mehr Energie kann sie speichern. Rund sechs Kubikmeter gebrannter Kalk reichen aus, um ein modernes Einfamilienhaus im Winter einen Monat lang autark zu versorgen.

„Um Wärme zu erzeugen, nutzen Kalkspeicher eine chemische Reaktion von gebranntem Kalk und Wasser. Zunächst wird Kalkpulver in einem Ofen auf über 450 Grad Celsius erhitzt. Dadurch entweicht im Kalk gebundenes Wasser. Es entsteht gebrannter Kalk. In einer Mischkammer reagiert dieser mit Wasser chemisch zu gelöschtem Kalk. Dabei entstehen Temperaturen von über 100 Grad Celsius. Je nach Bedarf lässt sich so anhand der Kalk- und Wassermenge die Heizleistung regeln,“ erklärt Schmidt. „Wird der gelöschte Kalk wieder gebrannt, kann er erneut Energie speichern. Dieser Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen.“

Pilotanlage beheizt erstes adaptives Hochhaus der Welt

Gemeinsam mit der Universität Stuttgart integrieren die DLR-Forscherinnen und -Forscher die Pilotanlage in das erste adaptive Hochhaus der Welt. Dessen Fassade und flächige Bauteile passen sich beispielsweise an die Sonneneinstrahlung an. Das hilft Material und Emissionen einzusparen.

Aus dem Betrieb der Pilotanlage in dem Forschungsgebäude können die DLR-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler Rückschlüsse für den alltäglichen Einsatz von Kalkspeichern ziehen. „Wir untersuchen unter anderem, wie die Anlage regeln muss, um bei einem kurzen Witterungsumschwung optimal zu reagieren“, erläutert Schmidt.

Kostengünstig und ökologisch unbedenklich

Kalk besitzt als Energiespeicher ein enormes Potenzial. Kalkspeicher können selbst erzeugten Solarstrom dezentral speichern. Zudem ist Kalk sehr kostengünstig, in großen Mengen verfügbar und ökologisch unbedenklich. Kalkspeicher sind daher auch für Privathaushalte interessant. Ebenso lassen sich damit ganze Wohnviertel versorgen.

Über das Projekt „Kalkstein – Saisonaler Strom-Wärmespeicher für Gebäude“

Der Helmholtz-Validierungsfond und das DLR-Technologiemarketing finanzieren die Entwicklung eines saisonalen thermochemischen Speichers. Erfolgreiche Grundlagenforschung soll dadurch den technologischen Reifegrad einer Demonstrationsanlage erhalten. Dies markiert den Übergang des Technologietransfers in den Markt.

Mit Unterstützung des Sonderforschungsbereichs 1244 „Adaptive Hüllen und Strukturen für die gebaute Umwelt von morgen“ der Universität Stuttgart erfolgt die Integration der Pilotanlage.

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