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Thermischer Speicher
BMWi
Latentwärmespeicher 8.7.2016

Zur Versiegelung werden die Kugeln nach der Infiltration mit PCM mit Kupfer beschichtet.
© Fraunhofer IFAM Dresden

Hochtemperatur-PCM werden schüttbar

Dresdener Forscher entwickeln kleine schütt- und pumpfähige Wärmespeicherkapseln für den Temperaturbereich von 130 bis 350 Grad Celsius. Die Hohlkugeln werden aus Metall-Legierungen gefertigt und haben je nach Einsatzzweck einen Durchmesser zwischen zwei und sechs mm. Sie enthalten Salzgemische für die latente Wärmespeicherung.

Projektstatus Auswahl der Werkstoffkombinationen
Temperaturtyp Hochtemperatur
Speicherung/Ladung Indirekt
Speicherzeit kurz (Stunden bis Tage)
Zyklenzahl Sehr hoch (> 10.000)
Ladetemperatur 130-300 °C
Entladetemperatur 130-300 °C
Speicherkapazität Je nach Anwendung
Energiespeicherdichte 250 MJ/m³
Projektlaufzeit Dezember 2013 bis November 2016

Im Projekt MetPCM entwickeln die Forschungspartner PCM-Kapseln mittlerer Größe bis hin zum Demonstrator im Technikumsmaßstab. Die PCM-gefüllten Hohlkugeln sind vielfältig einsetzbar. Als mechanisch stabile, pumpbare Wärmekapazität erhöhen sie beispielsweise das Energiespeichervermögen von Thermoölen. Sie ermöglichen auch einen sehr schnellen Wärmeübergang von durchströmenden Gasen zum PCM und zurück. Als Katalysator-Träger sorgen sie für eine Wärmepufferung und damit eine sehr gleichmäßige Arbeitstemperatur des Katalysators.

  • Je nach Temperaturbereiche werden verschiedene PCM-Materialien eingesetzt. © Fraunhofer IFAM Dresden
  • Die porösen Metall-Hohlkugeln werden mit PCM infiltriert. © Fraunhofer IFAM Dresden
  • PCM-gefüllte Hohlkugeln schwimmen als zusätzliche Wärmekapazität in Thermoöl. © Fraunhofer IFAM Dresden
  • PCM-gefüllte Hohlkugeln dienen als Wärmetauscher © Fraunhofer IFAM Dresden
  • Zur Versiegelung werden die Kugeln nach der Infiltration mit PCM mit Kupfer beschichtet. © Fraunhofer IFAM Dresden

Guter Wärmeübergang eröffnet Möglichkeiten

Übliche PCM-Speicherelemente sind meist gekennzeichnet durch einen relativ langsamen Wärmeübergang zwischen Umgebungsmedium und PCM. In den vergangenen Jahren wurde wiederholt die Forderung nach einem PCM-Schüttgut laut, welches von Flüssigkeiten und Gasen gut durchströmbar ist und außerdem einen schnellen Wärmeübergang gewährleistet. Anwendungsmöglichkeiten sind die Nutzung von Abwärme und die Verbesserung der Effektivität von Katalysatoren durch eine gleichmäßigere Arbeitstemperatur. Ein weiterer Ansatz ist, die meist relativ geringe Wärmekapazität von Wärmeträgerflüssigkeiten, wie z. B. Thermoölen deutlich zu erhöhen und somit einen effektiveren Wärmetransport im Temperaturbereich zwischen 130 und 350 Grad Celsius zu ermöglichen.

Ansatzpunkte der Optimierung sind die Auswahl der geeigneten PCMs (Salze, Salzmischungen) entsprechend der Temperatur ihres Phasenüberganges, ihrer Schmelzenthalpie und besonders bezüglich der korossiven Wechselwirkung mit den porösen Schalen der als Kapseln dienenden metallischen Hohlkugeln. Eine gute Haftfähigkeit der katalytischen Schicht ist ein weiteres Ziel der Arbeiten. Der Einsatz als pumpbare Wärmekapazität erfordert optimierte Festigkeit der gesinterten Kugelschalen und Haftfähigkeit der Versiegelung.

In drei Schritten zum Ziel

Das Projekt teilt sich in drei wesentliche Arbeitsetappen : (1) Recherche, experimentelle Charakterisierung und Auswahl geeigneter Werkstoffe und Werksstoffkombinationen für PCM, Wärmeträgerflüssigkeiten und Werkstoffe für Kapseln (Hohlkugeln) und Versiegelung - Meilenstein nach 13 Monaten: Auswahl geeigneter Werkstoffkombinationen ist abgeschlossen (2) Entwicklung der Herstellungsverfahren für die Kapseln sowie der Infiltrations- und Versiegelungstechnologie im Labormaßstab - Meilenstein nach 24 Monaten: PCM-gefüllte Kapseln liegen vor. (3) Aufbau der Versiegelungstechnologie im Technikumsmaßstab, Test der Kapseln als Katalysator in gasdurchströmten Schichten und zur Erhöhung der Wärmekapazität von Wärmeträger-Flüssigkeiten, Aufbau eines Demonstrator-Versuchsstandes.

Prozesse und Anlagen

Hollomet entwickelt geeignete Prozesse und Anlagen zur Herstellung PCM-gefüllter Metall-Hohlkugeln im Pilot-Maßstab. Es wird zunächst eine Suspension zum Sprühen von Grünkugeln entwickelt und ein Wärmebehandlungsregime für bestehende Anlagen ausgewählt. Für das Befüllen der Kugeln wird eine eigene Anlage entwickelt und gebaut sowie eine Versiegelungsmethode für befüllte Kugeln in eine Pilotanlage umgesetzt. Für diese Prozesse werden die grundlegenden Parameter identifiziert. Abschließend werden Kugeln für den Aufbau von Demonstratoren beschichtet.

Entwicklung der Metallhohlkugeln

Ziel des Teilvorhabens des Fraunhofer IFAM Dresden ist die Entwicklung PCM-gefüllter Metallhohlkugeln (Durchmesser wenige Millimeter) als thermische Hochleistungsspeicherkapseln für Temperaturen zwischen 130 und 350 Grad Celsius. Die Hohlkugeln werden nach einem speziellen pulvermetallurgischen Verfahren erzeugt, welches entsprechend des zuvor festgelegten Kugelwerkstoffes optimiert und angepasst werden muss. Diese Entwicklung erfolgt im Labormaßstab. Weiterhin werden im Rahmen des Teilprojektes die Infiltration der Kapseln mit dem PCM sowie die Versiegelung der Kapseln im Labormaßstab entwickelt und Untersuchungen zum Strömungs- und Wärmeübergangsverhalten vom flüssigen oder gasförmigen Medium zur statischen Kugelschüttung untersucht.

Auswahl der Phasenwechselmaterialien

Das ILK Dresden wird die Auswahl und die Charakterisierung der Phasenwechselmaterialien und der Wärmeträgerfluide für den avisierten Temperaturbereich vornehmen, sowie deren Zyklen- und Lebensdauer untersuchen. Eine weitere Arbeitsaufgabe des ILK wird es ein, Verträglichkeits- und Korrosionstests der eingesetzten Materialien durchzuführen und zu bewerten. In enger Kooperation mit AEL werden zudem vier unterschiedliche Versuchsstände entwickelt, um entsprechend der zu ermittelnden Parameter, das dynamische Verhalten (auch bei höheren Temperaturen) der PCM-Kugeln zu testen.

Hohlkugeln als Katalysatorträger

Remetall erprobt die mit PCM gefüllten und versiegelten Hohlkugeln als Katalysatorträger. Die von den Partnern entwickelten PCM-gefüllten Hohlkugeln werden zunächst mit einer Grundschicht aus Washcoat und dann mit einer katalytisch aktiven Schicht beschichtet, um die Totaloxidation von VOC-Schadstoffen zu untersuchen. Durch die Wärmespeichereigenschaften wird ein verbessertes Verhalten im Anfahrverhalten der Katalysatoren erwartet.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

20. Februar 2017
OTTI: Stationäre Energiespeicher und deren Netzintegration

21. Februar 2017
7. EnergieSpeicherSymposium

8. März 2017
32. Symposium Photovoltaic

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

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