Text und Fotos: Melanie Heider

Dr. Sandra Afflerbach und ihr Kollege Klaus Afflerbach benötigen aktuell abwärmeintensive Industriepartner, um die Speicherung von Wärme in thermochemischen Materialien marktfähig weiterzuentwickeln. 

Kalk und Mineralien als Energiespeicher 

IHK-Preisträgerin Dr. Sandra Afflerbach, Universität Siegen

Thermochemische Systeme zur industriellen Abwärmenutzung 

Am Lehrstuhl für Energie und Umweltverfahrenstechnik werden in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Chemie und Struktur neuer Materialien neue innovative Bausteine für die Energiewende erprobt. In interdisziplinärer Zusammenarbeit entwickelt Frau Dr. rer. nat. Sandra Afflerbach hier thermochemische Speichermaterialien auf der Basis anorganischer, zumeist mineralischer Verbindungen, die das Potenzial haben, Abwärme oder Solarenergie saisonal zu speichern und damit zu einer klimaneutralen Heizalternative zu werden. Ihre Ende 2018 veröffentlichte Doktorarbeit mit der Note „summa cum laude“ wurde kürzlich mit dem diesjährigen IHK-Preis ausgezeichnet. Für den Transfer in die Praxis ist das Team nun auf Industriepartner angewiesen. 

Der Weg führt Dr. Sandra Afflerbach und ihren Forschungskollegen Herrn M. Sc. Klaus Afflerbach in die Labor- und Technikumseinrichtungen der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Universität Siegen. Hier arbeitet ein interdisziplinäres Forschungsteam des Departments Maschinenbau am Lehrstuhl Energie- und Umweltverfahrenstechnik unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. Wolfgang Krumm in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Chemie und Struktur neuer Materialien unter der Leitung von Frau Prof. Dr. Manuela Killian an effizienten, ressourcenschonenden und umweltfreundlichen Langzeit-Energiespeichersystemen, primär auf der Basis von Kalkstein, aber auch andere Materialien werden untersucht. 

Langzeitspeicherung von Energie 

Ihre Leidenschaft für die Naturwissenschaften entdeckte die heute 36-Jährige schon zu Schulzeiten. Regelmäßige Ferien auf dem Bauernhof ihrer Großeltern bei Bad Laasphe führten die Münchnerin immer wieder in die Region und schließlich an das Department Chemie-Biologie der Universität Siegen. Gemeinsam mit ihrem Doktorvater Prof. Dr. Reinhard Trettin erforschte sie ab 2013 reversible Gas-Feststoffreaktionen anorganischer Materialien. In diesem Zusammenhang fanden auch thermochemische Speichermaterialen für Sonnenenergie sowie Abwärme, die derzeit zumeist ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird, ihr Interesse. Aktuell setzt Frau Dr. Afflerbach ihre Forschung als Oberingenieurin mit dem Ziel der Habilitation am Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik fort und widmet sich dabei den grundlegenden Zusammenhängen und der gegenseitigen Anpassung von Speichermaterialien und -reaktoren. 

Während ihrer Dissertation arbeitete sie bereits an mehreren, von der Europäischen Union sowie dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsprojekten in enger Zusammenarbeit mit Ingenieuren der Universität Siegen, dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, dem schweizerischen Paul-Scherrer Institut sowie dem spanischen Energieforschungsinstitut IMDEA unter Beteiligung namhafter Partner aus der Industrie wie Siemens, Evonik, Bühler und Rheinkalk. 

In diesem Rahmen wurde ein partikelgrößestabilisiertes Speichermaterial entwickelt, das gemeinsam mit dem dazugehörigen Konzept eines Reaktors mit bewegtem Reaktionsbett vom Bundesministerium für Energie und Wirtschaft für die Präsentation im deutschen Pavillon auf der Weltausstellung 2021 in Dubai ausgewählt wurde. Dieser Erfolg verdeutlicht das Potenzial der interdisziplinären Zusammenarbeit ingenieur- und naturwissenschaftlicher Disziplinen an der Universität Siegen. 

Lösungen aus dem Labor 

Mit Calciumhydroxid (gelöschter Kalk) gelang 2015 der Forschungsdurchbruch. Im Mittelpunkt steht die reversible, also beliebig oft wiederholbare, Gas-Feststoff-Reaktion. Der Ansatz: Wird Löschkalk mit heißer Luft umströmt, entsteht bei Temperaturen ab 450 °C sogenannter Branntkalk (Calciumoxid), da ihm während des Beladens durch Zuführung von Wärme das chemisch gebundene Wasser entzogen wird. Bezogen auf das Volumen kann so im Vergleich zu einem Warmwasserspeicher mehr als die fünffache Wärmemenge gebunden werden. Kommt das auf diese Weise beladene Material dann wieder mit Wasserdampf oder Wasser in Berührung, reagiert es zurück zu Branntkalk und setzt dabei große Mengen an Energie in Form von Wärme frei, die sich beispielsweise zum Heizen und für die Warmwasseraufbereitung eignet. 

Ökologisch und ökonomisch 

Theoretische Vorüberlegungen überzeugten Dr. Sandra Afflerbach auch durch ihr wirtschaftliches Potenzial: Als Grundstoff der Bauindustrie ist Kalk weltweit und kostengünstig in großen Mengen verfügbar. Darüber hinaus sind alle an der Reaktion beteiligten Stoffe (Kalk und Wasser) ungiftig, nicht umweltbelastend und somit ökologisch unbedenklich. Ein weiterer Vorteil: Die Be- und Entladung sind zeitlich und räumlich voneinander trennbar, wodurch das Speichermaterial in großen Mengen vorproduziert werden kann, bevor es nach seinem Einsatz als Energiespeicher im Werkstoffkreislauf ohne Qualitätsverlust weiterverwendet wird. „Alle Parameter stimmten, dennoch bemerkten wir eine nachteilige Veränderung des pulverförmigen Materials bei häufiger Be- und Entladung, also bei wiederkehrender Hydration und Dehydration“, erklärt die Naturwissenschaftlerin. Viele hundert Forschungsstunden verwendete sie fortan im Rahmen ihrer Dissertation „Aspects from Solid State Chemistry and Materials Science on Thermochemical Energy Storage and Conversion“ gemeinsam mit dem Team darauf, die Beschaffenheit des Branntkalks zu optimieren – vom reinen Pulver in feine und grobe Granulate, in Tonkapselhüllen und schließlich in staubfreie, transportierfähige keramikbeschichtete Kügelchen. Parallel stieß sie in der Welt der Mineralien auf weitere vielversprechende komplexe Materialsysteme wie z.B. des Scholzit, der Zeolithe, Whewellit oder Ettringit, die bereits bei niedrigeren Temperaturen beachtliche Energiespeichereigenschaften aufweisen und damit ebenfalls für eine nachhaltige, effiziente Energiegewinnung und -nutzung dienlich sein könnten. 

Die Stufen der Entwicklung eines thermochemischen Speichermaterials: Vom Mineral, über Pulver bis zum patentierten, stabilisierten Speichermaterial.

Innovative Industriepartner gesucht 

Der hohe Innovations- und technische Reifegrad des partikelgrößestabilisierten Speichermaterials qualifizieren das Konzept des Energiespeichers auf Kalkbasis und ähnlichen Materialien nun für die Erprobung in der Praxis. „Wir haben den Funktionsnachweis im Labormaßstab erbracht. Jetzt müssen wir aus dem Forschungslabor hinaus in die Fabrikhalle treten, denn in der industriellen Abwärme mit Temperaturbereichen zwischen 300 °C und 700 °C oder mehr sehen wir für unser Verfahren die idealen Voraussetzungen eine marktfähige konstruktive Ausgestaltung vornehmen zu können“, zeigt sich Dr. Sandra Afflerbach optimistisch. Für die weitere Forschung und Entwicklung von Pilotanlagen sucht das interdisziplinäre Team des Departments Maschinenbau aktuell abwärmeintensive Industrieunternehmen in der Region. 

Vielfältige Anwendungsfelder 

Um der langfristigen Einsetzbarkeit im kommerziellen großtechnischen Maßstab näherzukommen, soll zunächst weitere Grundlagenforschung unter anwendungsbezogenen Fragestellungen betrieben und der wirtschaftlich sinnvollste und energetisch effizienteste Einsatzbereich ermittelt sowie technisch- konstruktive Daten erhoben werden. Denn thermochemische Speichermaterialien sind theoretisch vielseitig einsetzbar: für Heizzwecke, die Stromerzeugung, Prozesswärme, die Entladung in ein Fernwärmenetz oder zur reinen Speicherung von chemischer und solarthermischer Energie. In allen Anwendungsfällen könnte die neuartige Energieversorgungstechnik den Verbrauch fossiler Energie in Industrieprozessen und Privathaushalten signifikant senken. Beispielsweise hat ein Kubikmeter Kalk eine Heizleistung von rd. 500 Kilowattstunden. Bei einem Heizbedarf von beispielsweise 10.000 Kilowattstunden pro Haushalt würden somit rd. 20 Kubikmeter des patentierten, stabilisierten Kalkprodukts benötigt. Die Zukunftsvision beider Wissenschaftler: In Einfamilienhäusern ersetzt künftig ein Behälter mit gebranntem Kalk den Ölkessel. Aber auch größere Wärmeverbraucher wie Industrieunternehmen könnten entsprechend mit Heiz- und Prozesswärme versorgt werden. 


Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Dr. Sandra Afflerbach
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