Magnetit: perfektes Mineral für nachhaltige Wärmespeicherung

Das Mineral Magnetit scheint ideal für die Speicherung von Energie zu sein. In Zusammenarbeit mit der Universität Barcelona und dem internationalen Forschungsinstitut CIC EnergiGUNE untersucht LKAB Minerals in Moerdijk, wie Magnetit effektiv zur thermischen Energiespeicherung genutzt werden kann. Erste Ergebnisse aus einer Pilotanlage mit thermischen Energiespeichern (TES) in Marokko zeigen, dass mit Magnetit eine hocheffiziente Energiespeicherung erreicht werden kann. "Energiespeicherung in Magnetit ist auch in den Niederlanden sehr gut einsetzbar", sagt Leon Hendriks, Business Development Manager Magnetite bei LKAB.

Effiziente und nachhaltige thermische Energiespeicherung erfährt immer mehr Aufmerksamkeit. Das Mineral Magnetit (Fe₃0₄) ist gut geeignet, um Energie auf nachhaltige Weise zu speichern. Magnetit (eine Form von Eisenerz) wird in Nordschweden in einer Tiefe von mehr als tausend Metern abgebaut. Es ist ein inertes und umweltfreundliches Material, das im Bauwesen zur Herstellung von Schwerbeton verwendet wird.

Europäische Förderung für Wärmespeicherung mit Magnetit

Vor kurzem wurde das ORC-PLUS-Projekt im Rahmen des Horizon 2020"-Flagge (Europäisches Förderprogramm). Ziel dieses Projekts ist die Ausstattung eines Solarkraftwerks mit einem thermischen Speicher. Zunächst einmal gibt es eine wissenschaftliche Forschung für das am besten geeignete Mineral durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Magnetit aufgrund seiner Eigenschaften am besten geeignet ist:

• Wärmekapazität; 0,89kJ/kg*K
• Gute Wärmeleitfähigkeit; 3,4 W/m*K
• Dichte; 4,8 bis³ (volumetrische Wärmekapazität 4272 kJ/m³*K)
• Thermisch stabil bei hohen Temperaturen (1000˚C kein Problem)
• Thermomechanisch stabil (sehr geringer Verlust nach vielen Zyklen)
• Ausgezeichnete Verfügbarkeit und Preis.

Hohe Temperaturen für eine effizientere Lagerung

Die Dichte von Magnetit sorgt dafür, dass seine volumetrische Wärmekapazität mit der von Wasser vergleichbar ist (>4 MJ/m³*K). Der große Vorteil von Magnetit gegenüber Wasser besteht jedoch darin, dass es problemlos Wärme bei Temperaturen von bis zu 1000˚C speichern kann, während Wasser auf 90˚C begrenzt ist. "Das macht die in Magnetit gespeicherte Wärme zu einer idealen Energiequelle in Hochtemperatursystemen", sagt Ana Inés Fernández, Forscherin und Dozentin an der Fakultät für Materialwissenschaften und physikalische Chemie der Universität Barcelona. Magnetit leitet leicht Wärme, so dass es sofort wieder verwendet werden kann. "Die Wärmeleitung spielt eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die Wärmespeicherung kontinuierlich auf demselben Niveau zu halten, auch bei Spitzen und Flauten in der Energieversorgung. Insbesondere die antiferromagnetischen Werte von Magnetit führen dazu, dass Magnetit die Wärme bei hohen Temperaturen schnell leitet", erklärt Fernández. "Derzeit speichern Solarkraftwerke die Wärme in flüssigen Salzen. Einer der Nachteile von Flüssigsalzen ist, dass sie nicht über Temperaturen von 565 ˚C funktionieren, während nach Lösungen gesucht wurde, die dies leisten können. Denn je höher die Temperatur, desto effizienter kann Strom erzeugt werden", erklärt Fernández.

Wirtschaftlicher Wert der Wärmespeicherung

Das Kraftwerk des Projekts ORC-PLUS befindet sich in Ben Guerir, Marokko, wo Tests zur Wärmespeicherung in Magnetit durchgeführt werden. Das Solarkraftwerk nutzt Spiegel, um Sonnenwärme zu reflektieren, die organisches Öl erwärmt. Dieses Öl transportiert die Wärme dann zu einer Turbine, die Strom erzeugt. Das Öl fließt zunächst durch einen großen Speicherbehälter mit Magnetitpellets, wodurch sich das Magnetit im Laufe des Tages erhitzt. Dank dieser Wärmespeicherung kann das Kraftwerk noch vier Stunden nach Sonnenuntergang mit voller Leistung weiterlaufen. Die Suche nach neuen Wärmespeicherkonzepten für erneuerbare Energien war der Anlass für diese Forschung.

Von der Forschung zur Praxis

"Für dieses Pilotprojekt wurde Magnetit von LKAB Minerals verwendet. Mit diesem Mineral wurden Tests mit Erhitzung auf 1.000 ^oC, wo wir untersucht haben, wie viel Wärme über einen Zeitraum von 21 Tagen gespeichert wurde", erklärt Dr. Abdessamad Faik, Projektleiter des Pilotprojekts und Gruppenleiter bei CIC EnergiGUNE. "Wir haben festgestellt, dass Magnetit auch bei diesen höheren Temperaturen thermisch stabil bleibt. Außerdem stellt sich heraus, dass hohe Temperaturen über einen längeren Zeitraum gespeichert werden können. Damit steht eine stabile Wärmequelle zur Verfügung, die zur kontinuierlichen Stromerzeugung genutzt werden kann. Selbst nachts, wenn die Sonne nicht scheint, kann das Kraftwerk weiterlaufen", sagt Faik.

Industrielle Wärmespeicherung

LKAB Minerals lieferte das Mineral für dieses Pilotprojekt. Laut Leon Hendriks von LKAB Minerals sind mehrere industrielle Anwendungen für die Wärmespeicherung möglich. "Wärme aus anderen Energiequellen als Solarkraftwerken lässt sich auch hervorragend in Magnetit speichern", sagt Hendriks. Das ist vor allem für Unternehmen interessant, die Wärme verbrauchen; die Restwärme kann für eine spätere Wiederverwendung gespeichert werden. Da bei der Umwandlung von Strom in Wärme praktisch keine Verluste auftreten, ist die Nutzbarkeit sogar noch größer. So können Unternehmen die Wärmebatterie nutzen, um flexibel Strom für ihre industrielle Heizung einzukaufen. Sie ermöglicht es auch, vorübergehend überschüssige Kapazitäten von Ökostrom aus Sonnenkollektoren oder Windkraftanlagen zu speichern. "Das Mineral Magnetit ist umweltfreundlich, billig und reichlich vorhanden", sagt Hendriks. "Die Anwendung von Magnetit als Wärmespeicher ist noch wenig bekannt. Deshalb suchen wir Partner und Spezialisten, die Anwendungen entwickeln können, mit denen die im Magnetit gespeicherte Wärme nachhaltig wiederverwendet werden kann", so Hendriks.

Gerüste - Wärmespeicherung mit Magnetit

Heizen mit Wärmespeicher - für eine flexible Strombeschaffung

Aufgrund der Preisunterschiede zwischen Tag- und Nachtstrom besteht der Wunsch, Strom zu nutzen, wenn die Kosten niedrig sind (d. h. nachts), und der Strom wird in Wärme umgewandelt und in einem Wärmespeicher gespeichert. Tagsüber wird die in den Magnetitblöcken gespeicherte Wärme langsam freigesetzt. Die Menschen nutzen dann tagsüber die Wärme, die sie nachts zu einem günstigen Tarif bezogen haben. Wir sehen diese Anwendung vor allem in Ländern, in denen ein großer Kostenunterschied zwischen Spitzen- und Schwachstromtarifen besteht. LKAB Minerals liefert bereits seit mehr als 25 Jahren Magnetit für diese Anwendung.

Solarkraftwerk

Das Energieunternehmen Enerray (Teil der Maccaferri-Gruppe) hat in Ben Guerir in Marokko ein Pilot-Solarkraftwerk errichtet. Dort wird nun der Einsatz von Magnetit in einem thermischen Energiespeicher (TES) getestet. Wenn die Sonne scheint, wird eine Wärmeträgerflüssigkeit (Öl) durch den TES geleitet und der Magnetit speichert die Energie als Wärme. Nach Sonnenuntergang gibt der Magnetit die Wärme ab, und die Turbine erzeugt weiterhin Strom. Ausführliche Informationen finden Sie unter: https://www.enerray.com/solar-services/epc/case-studies/csp-iresen-morocco/