3D-gedruckte Wärmespeicher aus Ultrahochleistungsbeton

Wärmespeicher sind zentraler Baustein einer klimaneutralen Wärmeversorgung. Es werden Speicher in einem breiten Größen- und Temperaturspektrum für Gebäude, Nah- und Fernwärmenetze und die Industrie benötigt. Im Projekt »DRUCKSTORE« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit IPROconsult, IAB Weimar und m-tec neue Herstellungsverfahren auf Basis des Beton-3D-Drucks unter der Verwendung von Ultrahochleistungsbetonen (UHPC). Diese Kombination soll es ermöglichen, hochintegrierte Speicher bei geringem Materialeinsatz herzustellen und so kostengünstige und effiziente Lösungen zu entwickeln.

Ausgangslage

Wärmespeicher werden heute meist aus Stahl oder – insbesondere bei Großspeichern – aus Beton gefertigt. Die Herstellung dieser Speicher ist arbeitsintensiv, erfordert unterschiedliche Gewerke z. B. für Bau- und Dämmarbeiten und ist vergleichsweise unflexibel. Gleichzeitig müssen im Zuge der Energiewende viel mehr thermische Speicher in das Energiesystem integriert werden, um die Nutzung erneuerbarer Wärme in unterschiedlichen Temperaturbereichen und Anwendungsfällen – von Gebäuden über Quartiere bis zur Industrie – zu ermöglichen. Klassische Bauweisen stoßen hier an wirtschaftliche und räumliche Grenzen. Der 3D-Betondruck ermöglicht es dagegen, sehr flexibel und hochintegriert zu bauen und ist bereits im Hochbau erprobt, wurde bisher aber nicht zur Herstellung von Wärmespeichern untersucht, insbesondere nicht unter Verwendung von UHPC.

Ziel

Ziel von »DRUCKSTORE« ist es, die technischen Grundlagen für 3D-gedruckte Wärmespeicher aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC) zu schaffen. Dazu soll die Funktionsintegration erhöht und der Materialeinsatz sowie CO₂-Fußabdruck gegenüber heutigen Speicherlösungen reduziert und gleichzeitig hohe Speichereffizienzen erreicht werden. Am Projektende sollen ein 3D-gedruckter Wasserspeicher und ein Hochtemperatur-Feststoffspeicher (bis ca. 700 °C) im Maßstab von bis zu 8 m³ vorliegen. Zudem werden Designrichtlinien, Auslegungstools und validierte Simulationsmodelle entwickelt, um zukünftig größere Speicher (100–1000 m³) zu planen und hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit bewerten zu können.

Lösungsansatz

Die Partner entwickeln zunächst anwendungsbezogene Anforderungen an Speicher, UHPC-Materialien und 3D-Drucktechnik. Das Fraunhofer ISE optimiert Speichergeometrien (z. B. Diffusoren, Wandaufbauten) mittels CFD-Simulationen und überführt diese mit Hilfe von m-tec in 3D-gedruckte Funktionsmuster. Die Funktionsmuster werden im Labor des ISE getestet und iterativ optimiert. Unser Partner IAB Weimar entwickelt druckbare UHPC-Rezepturen mit angepasster Festigkeit und Dichtigkeit inklusive faserverstärkter Varianten sowie ggf. Dämm-UHPC. m-tec passt Misch-, Förder- und Drucktechnik an UHPC an und entwickelt einen angepassten Druckkopf. IPROconsult erarbeitet Auslegungstools und Planungsrichtlinien, insbesondere für Hochtemperaturspeicher.

Ergebnisse

Erwartete Ergebnisse sind druckbare UHPC-Materialien für Wasser- und Hochtemperaturspeicher, ein für UHPC optimiertes 3D-Drucksystem samt Prozessdatenerfassung sowie validierte Speicherkomponenten wie Diffusoren, Wandsegmente und integrierte Dämmstrukturen. Mit einem vollständig 3D-gedruckten Wasserspeicher und einem Hochtemperatur-Feststoffspeicher werden Be-und Entladecharakteristik, Speichereffizienz, Wärmeverluste und mechanische Belastbarkeit experimentell untersucht. LCA (Life Cycle Assessment) und Kostenanalysen vergleichen das CO₂- und Kostensenkungspotenzial mit konventionellen Stahl- und Betonspeichern und bilden die Grundlage für den späteren Einsatz im Quartiers- und Industriesektor.

Das Projekt »DRUCKSTORE«  wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.