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Thermischer Speicher
BMBF
Thermochemischer Festphasen-Speicher 1.2.2016

Die Abbildung zeigt die Herstellung thermochemischer Speichermaterialproben.
© Fraunhofer UMSICHT

Wärme auf kleinstem Raum speichern

Thermochemische Wärmespeicher erzielen im Vergleich zu herkömmlichen

Wärmespeichermaterialien hohe spezifische Energiedichten - und dies

kostengünstig. Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials begrenzt

allerdings die Be- und Entladeleistung des Speichers. Wissenschaftler

des Fraunhofer UMSICHT entwickelten neue thermochemische

Speichermaterialien deren  Wärmeleitfähigkeit durch die Zugabe

spezieller Zusatzstoffe gezielt erhöht wird.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Temperaturtyp Niedertemperatur
Speicherung/Ladung Indirekt
Speicherzeit kurz (Stunden bis Tage)
Zyklenzahl Nachweis einer grundsätzlichen Zyklenbeständigkeit von 20 Wärmespeichervorgängen
Ladetemperatur(-bereich) materialabhängig 150-300 °C
Entladetemperatur(-bereich) materialabhängig 100-250 °C
Speicherkapazität abhängig von der Speichergröße
Energiespeicherdichte bis 1.000 kJ/m³
Projektlaufzeit August 2012 bis Januar 2016

Thermochemische Wärmespeicher machen sich die Reaktionsenthalpie reversibler chemischer Reaktionen zunutze. Daher können mit ihnen höhere spezifische Energiedichten verglichen zu herkömmlichen Wärmespeichermaterialien erzielt werden. Gleichzeitig zeichnen sich feste Speichermaterialien in der Regel durch niedrige Kosten aus. Allerdings begrenzt eine niedrige Wärmeleitfähigkeit des Materials die Wärmeleistung des Speichers.

  • Kalorimetrische Charakterisierung von Materialproben © Fraunhofer UMSICHT
  • Wirkprinzip thermochemischer Speicher © Fraunhofer UMSICHT
  • Hot-Disk-Apparatur zur Messung der Wärmeleitfähigkeit © Fraunhofer UMSICHT
  • Messanordnung (Hot-Disk-Apparatur) © Fraunhofer UMSICHT
  • Musterproben mit definierten Wärmeleitfähigkeiten © Fraunhofer UMSICHT
  • Vergleich (Simulation) der Temperaturverteilung in einer mit Wärmespeichermaterial optimierten (a) und einer konventionellen Platine (b). © Fraunhofer UMSICHT
  • Vergleich (Simulation) der Temperaturverteilung in einer mit Wärmespeichermaterial optimierten (a) und einer konventionellen Platine (b). © Fraunhofer UMSICHT
  • Temperaturverlauf in den Prozessoren einer Platine mit und ohne Wärmespeichermaterial (PCM) bei kurzzeitiger Überlastung © Fraunhofer UMSICHT
  • Ergebnisse der kalorimetrischen Charakterisierung einer thermochemischen Speicherprobe (Heizrate fünf Kelvin pro Minute) © Fraunhofer UMSICHT
  • Die Abbildung zeigt die Herstellung thermochemischer Speichermaterialproben. © Fraunhofer UMSICHT

Ziel des dreijährigen Vorhabens ist daher, neue thermochemische Speichermaterialien zu entwickeln. Dabei soll die Wärmeleitfähigkeit der Feststoffe durch die Zugabe spezieller Zusatzstoffe gezielt erhöht werden. Die praktische Anwendbarkeit der Materialien wird durch mathematische Modellierung abgeschätzt.

Wärme zwischen 150 und 300 Grad Celsius speichern

Innerhalb des Projektes „SOLIDSTORE – Thermochemische Festphasen-Wärmespeicher mit optimierten Wärmeleiteigenschaften“ entwickeln die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT neue Wärmespeichermaterialien für einen Anwendungsbereich zwischen 150 und 300 °C. Der Fokus liegt dabei auf der Wärmespeicherung in einem möglichst kleinen Volumen. Durch die Zugabe spezieller Zusatzstoffe soll eine Verbesserung des Wärmeeintrags erreicht werden, sodass eine schnelle Be- und Entladung des Speichers erzielt werden kann. Mit Hilfe mathematischer Modellierungen ermitteln die Fraunhofer Forscher die Wärmespeichervorgänge in praxisrelevanten Geometrien und schätzen Primärenergie-Einsparungen für potenzielle Applikationsfälle ab.

Innerhalb des Projektes „SOLIDSTORE – Thermochemische Festphasen-Wärmespeicher mit optimierten Wärmeleiteigenschaften“ entwickeln die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT neue Wärmespeichermaterialien für einen Anwendungsbereich zwischen 150 und 300 °C. Der Fokus liegt dabei auf der Wärmespeicherung in einem möglichst kleinen Volumen. Durch die Zugabe spezieller Zusatzstoffe soll eine Verbesserung des Wärmeeintrags erreicht werden, sodass eine schnelle Be- und Entladung des Speichers erzielt werden kann. Mit Hilfe mathematischer Modellierungen ermitteln die Fraunhofer Forscher die Wärmespeichervorgänge in praxisrelevanten Geometrien und schätzen Primärenergie-Einsparungen für potenzielle Applikationsfälle ab.

Primärenergie für verschiedene Anwendungen ermitteln

Die Forscher identifizierten bereits in der ersten Phase des Projekts geeignete organische Reaktionssysteme. Diese charakterisierten sie hinsichtlich ihrer enthalpischen und reaktionstechnischen Eigenschaften. Gleichzeitig erfolgte eine grundsätzliche Beurteilung ihrer Eignung als thermochemisches Wärmespeichermaterial. Die nach ca. 1,5 Jahren startenden zweiten Phase der Projektarbeit zielt auf eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ausgewählter Reaktionssysteme, indem beispielsweise Additive zugesetzt werden. Spezielles Augenmerk richtet sich hierbei auf eventuell auftretende anisotrope Materialeigenschaften sowie das Upscaling aussichtsreicher Materialien. Der Abschluss dieses zweiten Themenkomplexes ist nach ca. 2,5 Jahren Projektlaufzeit erreicht. Parallel zur zweiten Phase startet der dritte thematische Schwerpunkt der Projektarbeiten. Dieser konzentriert sich sich auf eine mögliche Anwendung der neuen Materialien. Hier werden Konzepte zur Wärmeein- und -auskopplung in die Materialien unter Verwendung mathematischer Modellierungen und die erzielbaren Primärenergie-Einsparungen für verschiedene Anwendungsfälle ermittelt.

Das neue thermochemische Speichermedium soll auf thermoreversiblen organischen Reaktionen basieren, die entweder als Polymer-Aufbaureaktion oder als polymeranaloge Reaktionen durchgeführt werden. Hierdurch sollen volumetrische Energiespeicherdichten erzielt werden, die deutlich oberhalb der bekannten Wärmespeichermedien liegen, wodurch die Fraunhofer Wissenschaftler die Speichergröße verringern und die Investitionskosten reduzieren können. Weiterhin soll durch die modifizierte Wärmeleitfähigkeit des Materials der Wärmeeintrag verbessert werden. Damit lassen sich höhere Be- und Entladeleistungen des Speichers erzielen.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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