Stand der Technik

Die Wärmespeicherindustrie in Deutschland und Europa wird von Schamott dominiert. Mit seiner Fähigkeit, Wärme aufzunehmen und die gespeicherte Energie als Strahlungswärme wieder abzugeben, ist Schamott insbesondere in Kaminöfen als Wärmespeichermaterial (HSM, Heat Storing Material) seit über einem Jahrhundert beliebt und weit verbreitet, da es kaum sinnvolle Alternativen gibt. Sowohl Produzenten als auch Verbraucher nehmen mit der Nutzung von Schamott jedoch erhebliche Nachteile in Kauf. Ton, der Hauptbestandteil des keramischen Schamotts, wird im Verlauf der Herstellung von Schamott bei 1500°C gebrannt, dann wieder grob zerkleinert, in Form gegossen, verdichtet und bei 1250°C erneut gebrannt. Das ist nicht nur teuer, zeitaufwändig und energieintensiv, sondern aufgrund des hohen CO2-Ausstoßes auch stark umweltbelastend. Beim Verarbeiten wird pro kg Rohstoff etwa 1,5 kg an schädlichem CO2 frei, was bei mehr als 200.000 Tonnen Schamott, der laut aktuellen Statistiken jährlich im Ofenbau verwendet wird, zu über 300.000 Tonnen vermeidbarem CO2-Ausstoß und über einer Terra-Watt-Stunde unnötig verbrauchter Energie führt.

In handelsüblichen Kaminöfen findet Schamott als Verkleidung der Brennkammer und auch als wärmespeichernde Ummantelung, vor allem auf Grund seiner langen Tradition und Mangel an sinnvollen Alternativen weiterhin breite Verwendung, obwohl damit gravierende Nachteile in Kauf genommen werden. Als Speicher wird auch gerne Speckstein angeboten, weil dieser Wärme sehr schnell aufnimmt und der Ofen beim Kunden auch schnell "Wohlfühlwärme" abgibt. Speckstein kann Wärme aus gleichem Grund leider aber auch nicht speichern. Daneben wird auch mit Schamott-Speckstein-Mischungen und Schamott-Graphit-Mischungen versucht die niedrige Wärmeleitzahl von Schamott zu erhöhen, was aber, wie bei Speckstein, aufgrund der unverändert niedrigen Wärmekapazität nur zu einer noch schnelleren Wärmeabgabe führt.

EcoMagHSM

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Forschungs- und Entwicklungs-Projekt wurde mittlerweile erfolgreich beendet. Damit können mit dem neuen Material ab sofort europaweit verbesserte, günstigere und energiesparende Heiz- und Speichersysteme errichtet werden.

 

Wegen der deutlich höheren Wärmekapazität nimmt EcoMagHSM Wärme erheblich effizienter auf als alle geprüften Schamott-Mischungen, d.h. die Vergleichstemperaturen in der Abkühlphase liegen bei EcoMagHSM mindestens 20-30% über denen von Schamott.
 

Der direkte Vergleich der Länge der Entladephase von EcoMagHSM und den Original-Speichermodulen aus Schamott und Speckstein, zeigt eine um i.M. 30% verlängerte Entladephase bei identischen Versuchsparametern. Das neue ökologische Speichermaterial hat gegenüber Schamott - und auch Speckstein - weitere Vorteile :
 

• 30 - 50% höhere Wärmekapazität und dazu passende Wärmeleitfähigkeit***
   

• mind. 30% effizienter als Schamott und Speckstein (zu schnelle Entladung)
   

• mind. 30% Ersparnis bei Material, Gewicht, Transportkosten, allg. Kosten,...
   

 
 

*** Hier zeigten auch schwerere Materialien keine besseren Werte, weil sich die zugeführte Wärmemenge in der grösseren Masse auf niedrigem Temperatur-Niveau verteilt, so nur wenig zur Raumbeheizung beitragen kann und durch den Kamin abgeführt wird (die Brennraumzuluftschieber sind nie dicht). Eine Erhöhung der Rohdichte/Masse bei Schamott brachte in allen Versuchsreihen bei Schamott praktisch auch deshalb keinen Vorteil, weil Schamotte generell in der Wärmeaufnahme zu träge und unflexibel (Strömungsgeschwindigkeiten) sind. Damit ist der Gewichtsvorteil (bis zu 60% je nach Rezeptur) von EcoMagHSM auch gegenüber extrem schweren Schamotten erheblich, da EcoMag anders als Speckstein/Schamott ein ideal ausgewogenes Verhältnis von Wärmekapazität und dazu passender Wärmeleitfähigkeit besitzt.
 

EcoMagHSM verlängert die Abkühlzeit um ca. 20-30%

Im Diagramm links zeigt die rote EcoMag-Kurve einen um über 30% leichteren Speicherstein (99B), der deshalb eine höhere Temperatur erreicht und sein deutlich niedrigeres Gewicht/Volumen dennoch gegenüber dem Original-Speicher aus Schamott überkompensieren kann. Das Diagramm zeigt auch, dass der Temperaturverlauf von EcoMagHSM, trotz eines niedrigeren max. Temperaturniveaus frühzeitig den Temperaturverlauf der Schamott-Steine überschneidet, da die Kerntemperatur der Schamott-Steine, aufgrund der niedrigeren spezifischen Wärmekapazität und der damit verbundenen geringeren gespeicherten Wärmeenergie pro Kelvin, schneller sinkt. Die größere Wärmespeicherkapazität der EcoMagHSM-Steine ist gegenüber den Schamott-Steinen, soviel höher, dass die ebenfalls höhere Wärmeleitzahl und eine damit einhergehende schnellere Wärmeabgabe, überkompensiert werden kann.
 

EcoMag Demonstrator ^][

Die konventionellen Öfen mit Schamott-Speicher sind in Anbetracht der modernen Lebensumstände aufgrund extremer Trägheit (Aufheizzeit 8 h) nicht mehr zeitgemäß. Gewünscht werden heutzutage umweltschonende Öfen mit geringer Aufheizzeit von weniger als 2 h und deutlich längerer Abkühlzeit (z.B. Wärmeabgabe durch EcoMagHSM um mind. 20-30% verlängert).

Das neue Wärmespeichermaterial kann nicht nur die ökologischen und sozialen Aspekte befriedigen, sondern auch die ökonomischen Ansprüche erfüllen, da es 30% effizienter in der Wärmespeicherung und gleichzeitig mindestens 30% günstiger in der Herstellung ist. Darüber hinaus ist es bei vergleichbarer Druckfestigkeit i.M. 30% leichter und somit günstiger im Transport und auch ideal für Renovierungen und Sanierungen von Altbauten.
 

Der Brennraum des neuen EcoMag-Kombiofens - Demonstrator II - erhält vorgewärmte Verbrennungsluft über einen Schlitz an der Rückwand des Ofens. Die Rauchgase werden durch eine EcoMagHSM-Prallplatte umgelenkt, was den Verbrennungsvorgang deutlich begünstigt, und passieren dann erst noch den Nachheizkasten, bevor sie in den Kamin gelangen. Dabei wird die von Brenner und Nachheizkasten erhitzte Konvektionsluft durch das Hypokausten-System aus EcoMagHSM-Speichersteinen geführt und heizt auch dieses schnell auf :
 

Der hier dargestellte Kombi-Ofen wurde täglich max. 2 Stunden mit ca. 10kg Holz angeheizt. Seine Temperatur blieb bis zum nächsten Anheizen - also 22 Stunden - mind. 10°C über Raumtemperatur.


Aufgrund der bereits genannten Vorteile ermöglicht das Material sowohl die Anwendung in wärmespeichernden Systemmodulen als auch in der Feuerstätte selbst. EcoMagHSM Speichersteine können auch im Feuerraum eingesetzt werden, wenn der Temperaturbereich von 600°C - 900°C nicht langfristig überschritten wird, z.B. als Prallplatte mit/ohne Zyklonen :
 

      EcoMagHSM (Test-Produktion)

Beim aktuellen EcoMagHSM Stein kompensiert EcoMagHSM die Differenz der Speichermasse - der Schamott Stein ist ca. 25% schwerer - mit seiner höheren Wärmekapazität und kann auch in diesem speziellen Fall mit deutlich weniger Speichermasse vergleichbare Wärmespeicher-Eigenschaften realisieren. Bei identischer Masse übertrifft der EcoMagHSM den deutlich schwereren Schamott Stein bei der Wärmespeicherung wieder um ca. 30% (s.a.: spez. Wärmekapazität + Rohdichte + Masse).

*** Die höhere Rohdichte/Masse beim Schamott bringt dem Schamottstein auch hier praktisch keinen Vorteil. Die Oberflächen-Temperatur von EcoMagHSM steigt in der Anheizphase aufgrund der höheren Wärmekapazität (s. Grafik oben) langsamer, weil die Wärme erst nach innen in das deutlich grössere Wärmereservoir geleitet wird.

Anders als Schamotte besitzt EcoMagHSM ein ausgewogenes Verhältnis von Wärmekapazität und dazu passender Wärmeleitfähigkeit. Deshalb nimmt EcoMagHSM Wärme auch effizienter auf als alle vom IBP geprüften Schamottmischungen. Die 30% höhere Wärmeleitfähigkeit ermöglicht ein schnelles Befüllen des Speichers. Zusammen mit der um 30% höheren Wärmekapazität wird durch den effizienten Wärmetransport in das Material dessen Oberflächen-Temperatur niedrig gehalten.  Die geringere Oberflächen-Temperatur beschleunigt die Wärmeaufnahme und führt auch damit zur höheren EcoMagHSM Kerntemperatur. In der Abkühlphase verhindert das zur Raumtemperatur flachere Temperaturgefälle eine verfrühte (s. Aufheizphase HBO+) bzw. zu schnelle Wärmeabgabe. EcoMagHSM unterschreitet die Grenztemperatur deshalb auch um 30% später.

EcoMagHSM hier grau und rot...

EcoMagHSM liegt mittlerweile als sowohl handwerklich als auch industriell verarbeitbare Allround-Rezeptur vor. Durch Zugabe verschiedener Mineralisatoren und Kristallisatoren konnten sowohl Haptik (Rauheit, Abstauben der Oberfläche) und im Vertrieb/Marketing auch entscheidende Optik (verschiedene Farbtöne) des Endprodukts optimiert werden.
 

 

Typische Kunden für das Endergebnis des Projektes, also für das wärmespeichernde, hitzeresistente Material sind Firmen, die wärmespeichernde Materialien herstellen, Produkte bauen und/oder deren Speichereigenschaften verwerten. Für diesen Markt sind preisgünstige, schadstofffreie und immissionsminimierte Produkte auf der Basis einer energiesparenden und CO2-emissionsarmen Technologie nahezu nicht vorhanden.

Um die Transportstrecken zum jeweiligen Einbau-/Verbrauchsort und damit auch die Frachtkosten zu minimieren, kann das Material auch EU-weit von bereits etablierten Herstellern mit Lizenz produziert und verarbeitet werden. Damit würde es dezentral ohne lange Transportwege mit durchgängig positiver Ökobilanz hergestellt. Das flexible Herstellungsverfahren ist gleichermaßen für industrielle Sektoren geeignet und steht für verschiedenste Typen von Heiz- und Speichersystemen zur Verfügung. Hierzu zählen auch elektrische Raumspeicherheizer und Solarthermiespeicher.

Unser Material mit der positiven Kombination von ökonomischen und ökologischen Vorteilen kann damit ab sofort im Portfolio der etablierten Hersteller als zusätzliche Alternative zu den erheblich teureren Schamott-Gießmörteln angeboten werden.

Der Herstellungspreis des EcoMagHSM-Mörtel wird von aktuellen Rohstoffpreisen und Produktions- und Lizenzart beeinflusst. Die Lizenzierung verringert den Einkaufspreis durch direkten Bezug der Rohstoffe.

*** Spez. Preis = Preis / (spez.Wkap x Dichte) : ist der auf die erzielbare Wärmekapazität bezogene Preis, d.h. man erhält die Aussage wieviel die einzelnen Materialien pro kJ/K Wärmespeicher tatsächlich kosten.

Der Vergleich mit Materialien der Wettbewerber zeigt, dass EcoMagHSM nicht nur überlegene physikalische Eigenschaften besitzt, sondern auch viel günstiger ist. Eine höhere spezifische Wärmekapazität ist besser UND sollte mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit übereinstimmen, da andernfalls die Effizienz des Wärmespeichers aufgrund der schnellen Wärmeableitung des Materials nur gering ist. In dem deutlich niedrigeren spezifischen Preis summieren sich alle Vorteile von EcoMagHSM. Zusammen mit dem CO₂-Fußabdruck hat EcoMagHSM immer die besseren Werte (Fraunhofer Gesellschaft IBP Zusammenfassung des ZIM-Projekts "MagnesiaHSM").

*** Aufgrund der aktuellen Energiekrise in Verbindung mit weltweiten Lieferengpässen und extremen Preissteigerungen bei Schamott und anderen Rohstoffen sollte die Tabelle auch um den zumindest derzeit noch verfügbaren Beton erweitert werden. Dieser hat mit einer spez. Wärmekapazität von 0,90 und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,90-2,10 zwar nicht die überlegenen physikalische Eigenschaften von EcoMagHSM, ist aber beim reinen Speicher (ausserhalb der Feuerstätte) zumindest den billig importierten Schamotten vorzuziehen.

EcoMagHSM kann auch bei individueller Formgebung und Kleinserien zu einem sehr günstigen Preis von kleinen Industrie-, Ofen- und Heizungsbetrieben ohne grösseren Maschinenaufwand regional hergestellt und verarbeitet werden. Da ein emissionsarm selbstproduzierter Wärme-Speicher aus EcoMagHSM-Mörtel, weder nachgepresst noch gebrannt werden muss, kann er auch mit Importen aus den bekannten Billiglohnländern konkurrieren.

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