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Stofflicher Speicher
BMWi
PCM-Speicher 12.4.2017

PCS-Phasenwechsel-Fluid
© Fraunhofer ISE

Günstigere Slurries für Kühlprozesse

Um die Kosten von PCM-Speichern zu senken, erforschen Wissenschaftler neue PCM-Fluide und -Materialien für Kältespeicher. Ziel des Projektes KOLAN ist es, eine Emulsion mit einer so hohen Wärmekapazität zu entwickeln, die bei einer Temperaturdifferenz von 6 Kelvin etwa vier Mal mehr Wärme speichert als Wasser.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Speichereffekt Phasenwechsel (Latentwärme)
Entwicklungsgegenstand Speichermedium, Be-/Entladeeinrichtungen (PCM-Emulsionen Slurries, Makrokapseln, Verbundmaterialien)
Speicherung/Ladung wenige bis ein Zyklus am Tag
Speicherzeit Indirekt
Zyklenzahl kurz (Stunden bis Tage)
Ladetemperaturbereich circa 6 K von 10 bis 30 °C
Entladetemperaturbereich von 6 bis 25 °C
Energiespeicherdichte 100 kJ/m3
Projektlaufzeit Oktober 2013 bis September 2017

In thermischen Speichern wird bisher hauptsächlich Wasser als Speichermedium genutzt. Da Kälteanwendungen oft nur geringe Temperaturdifferenzen aufweisen, führt dies bei der Kältespeicherung zu große Speichervolumen. Als Speichermaterialien eignen sich hier Phasenwechselmaterialien sogenannte PCMs (engl. Phase-Change-Materials) besonders, da sie durch ihr quasi isothermes Wärme- bzw. Kältespeichervermögen hohe Speicherdichten bei geringen Temperaturänderungen aufweisen. Durch Dispergierung eines PCM zu einem Trägerfluid entsteht eine Emulsion, die allgemein als Phase-Change-Slurry (PCSs) bezeichnet wird. Dieses PCS ermöglicht eine von Phasenzustand des PCM unabhängige Förderung des PCMs durch ein hydraulisches System mittels Pumpen. Damit können gewöhnliche Wärmeübertrager zur Beladung des PCM und einfache Tanks zur Speicherung genutzt werden. Der Speicher- und der Leistungsteil eines PCS-Speichersystems kann also entkoppelt und unabhängig dimensioniert werden. In dem Projekt KOLAN sollen PCS auf Basis von Emulsionen mit einer hohen Speicherkapazität und Stabilität entwickelt werden. Des Weiteren werden PCM-Speicher auf Basis von makroverkapselten PCM bzw. neuen Verbundmaterialien entwickelt.

  • Die Abbildung zeigt die Demonstrationsanlage mit einem 5 Kubikmeter großen PCS-Speichertank. © Imtech Deutschland

Optimiertes Phasenwechselmaterial

Gesamtziel des Projektes ist die Speicherkapazität von PCM-Speichersystemen gegenüber dem Stand der Technik bei PCM-Slurries (PCS) zu erhöhen und die Kosten zu senken. Bei Speicherung mittels makroverkapselten PCM oder Verbundmaterialien sollen vor allem die Kosten gesenkt werden. Am Ende des Projekts werden die PCS in einer Pilotanlage demonstriert. Es werden speziell auf die Anwendung optimierte PCMs entwickelt. Die neu zu entwickelnden Materialien sollen zum Kühlen bzw. Vorkühlen und Vorwärmen im Gebäudesektor und zur Kühlung im technischen Bereich, z. B. von Fertigungsmaschinen, eingesetzt werden. Gesamtziel ist den Energieverbrauch zum Kühlen in den beiden Sektoren zu senken und damit einen Beitrag zu den Klimaschutzzielen zu leisten.

Durch geringere Viskosität werden größere Wärmekapazitäten erreicht

Im Projekt „Entwicklung von Kältespeichern auf der Basis von Phasenwechselfluiden und makroverkapselten Phasenwechselmaterialien” wurden zwischen 2007 und 2010 PCS auf Basis von mikroverkapseltem Paraffin entwickelt. Hier zeigte es sich, dass mit dieser Lösung Kapselkonzentrationen im Wasser bis etwa 30 Gew.-% erreicht werden können. Dadurch steigt die Viskosität sehr stark an, was die erreichbare Wärmekapazität im Temperaturbereich des Phasenwechsels stark beschränkt. Emulsionen zeigen hingegen geringere Viskositäten auf, wodurch grundsätzlich höhere PCM-Konzentrationen möglich werden und größere Wärmekapazitäten pro Volumeneinheit erreichbar sind. Ziel des Projektes ist es, PCM-Emulsionen mit einer Wärmekapazität zu entwickeln, die bei einer Temperaturdifferenz von 6 Kelvin etwa vier Mal mehr Wärme speichern können als Wasser alleine.
Darüber hinaus werden im Projekt neue PCM-Verbundmaterialien entwickelt, die neue Lösungen für thermische Speicher basierend auf makroverkapselte PCM ermöglichen. Ziel: Die Kosten für PCM-Speicher senken.

Das Projekt wurden inzwischen PCM-Materialien sowie Tenside zur Herstellung von Emulsionen ausgewählt und charakterisiert. Eine Auswahl verschiedener Materialien des Projektpartners Sasol, die Phasenwechseleigenschaften im Temperaturbereich zwischen 6 und 30 °C zeigen, wurden am Fraunhofer ISE thermisch charakterisiert und in Hinblick auf mögliche Einsatzfähigkeit bewertet. Erste Verbundmaterialien haben die Forscher produziert und ihre Formstabilität untersucht. Emulsionen wurden mit Hilfe verschiedener Tenside formuliert und ihre Separations- sowie Scherstabilität untersucht.

Teilvorhaben

Teilprojekt A (Makroverkapselung und Systemintegration): In diesem Teilprojekt werden mit Hilfe von Simulationen die Integration der zu entwickelnden PCM-Lösungen in ausgewählten technischen Anwendungen untersucht. Hierbei werden sowohl die Phasenwechseleigenschaften als auch die Systemparameter variiert um ein PCS bzw. einen PCM-Makrokapselspeicher mit gegebener Leistungscharakteristik in ein thermisches System zu integrieren.
Des Weiteren werden in diesem Teilprojekt Makrokapselsysteme und die in Teilprojekt B zu entwickelnden PCM-Verbundsysteme experimentell untersucht und ihre Belade- bzw. Entladecharakteristik bestimmt.

Darüber hinaus werden die PCM-Emulsionen in einem Speichersystem mit 5 m³-Speicher demonstriert und unter Anwendungsbedingungen getestet.
In Teilprojekt B werden sowohl neue organische PCM für die Speicherung im Temperaturbereich zwischen 6 und 30 °C entwickelt bzw. so modifiziert, dass ihre Phasenwechseleigenschaften den Anforderungen einer Anwendung (Teilprojekt A und C, Simulation) entsprechen.
Tenside werden auf ihr Potential die organischen PCM stabil zu dispergieren untersucht. Hierzu werden verschiedene Tensidklassen und unterschiedliche funktionale Gruppen getestet und die Stabilität der hergestellten Emulsionen untersucht. Außerdem werden PCM-Verbundmaterialien hergestellt.

In Teilprojekt C werden Simulationen eingesetzt, um den Einfluss der Schmelz- und Kristallisationstemperatur auf die Effizienz einer Anwendung zur Klimatisierung von Gebäuden zu untersuchen. Hierzu werden zunächst verschiedene Anwendungen hinsichtlich ihres Potenzials PCM-Emulsionen als Speicher und Wärmeübertragungsmedium einzusetzen analysiert. Eine ausgewählte Anwendung wird in einer Simulationsumgebung abgebildet und mittels Parametervariationen die am besten geeignete Schmelz- bzw. Kristallisationstemperatur ermittelt.
Des Weiteren werden in diesem Teilprojekt in engem Abgleich mit Teilprojekt B Tenside untersucht, um die Entwicklungszeit für die PCM-Emulsionen zu beschleunigen.

Die in den Teilprojekten hergestellten Emulsionen werden hinsichtlich ihrer Speicherkapazität, ihres Schmelzverhaltens sowie ihres Fließverhaltens charakterisiert. In Pump- und Speichertestständen wird einerseits die Stabilität der PCM-Emulsionen geprüft und andererseits ihr Verhalten in einem Testspeicher im 100 Litermaßstab geprüft.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

21. September 2017
Elektromobilität im ÖPNV

25. September 2017
EU PVSEC 2017

26. September 2017
Batterien für Bordnetze, Hybrid- und Elektrofahrzeuge

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.