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Stofflicher Speicher
BMWi
Latentwärmespeicher 2.2.2016

Die Abbildung zeigt Exemplare erster einfacher Verkapselungsvarianten.
© Zentrum für Energietechnik (ZET)

Wirtschaftlicher dank neuem Phasenwechselmaterial

Wissenschaftler der Universität Bayreuth wollen mobile Latentwärmespeicher weiterentwickeln. Im Projekt MALATrans forschen sie daran, wie sich die thermische Leistung dieser Speicher bei der Be- und Entladung steigern lässt und wie die Herstellungskosten gesenkt werden können. Gelingen soll das mit makroverkapselten Phasenwechselmaterialien.

Projektstatus Projekt abgeschlossen
Speichereffekt Phasenwechsel (Latentwärme; verschiedene Stoffgruppen)
Entwicklungsgegenstand Speichermedium; Speicherkonstruktion sowie Be- und Entladeeinrichtungen: Makroverkapselung
Temperaturtyp Niedertemperatur
Speicherzeit kurz (Stunden bis Tage)
Zyklenzahl > 200 pro Jahr
Ladetemperaturbereich 80 bis circa 160 °C
Entladetemperaturbereich 60 bis 140 °C
Speicherkapazität circa 4 GJ
Energiespeicherdichte 300 MJ/m3
Projektlaufzeit Juli 2013 bis Dezember 2016

Der Einsatz hocheffizienter mobiler thermischer Speicher stellt einen essenziellen Ansatzpunkt zur erweiterten Nutzung von Abwärme dar. Ziel des Projektes „Entwicklung makroverkapselter Latentwärmespeicher für den Transport von Abwärme“ – kurz MALATrans, ist es, den heutigen Kenntnisstand auf dem Gebiet latenter thermischer Speicher so zu erweitern, dass nach Abschluss des Vorhabens effizientere mobile Latentwärmespeicher erfolgreich entwickelt werden können. Am Projekt beteiligt ist die Universität Bayreuth mit den Lehrstühlen für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) sowie Metallische Werkstoffe (MW).
Ein solcher Speicher soll gegenüber bereits verfügbaren Ausführungen eine höhere thermische Leistung bei der Be- und Entladung aufweisen, kostengünstiger herzustellen sein sowie vor allem ein erheblich erweitertes Anwendungspotenzial erschließen.

  • Zylinderströmung: Simulationsergebnisse zur Durchströmung eines mit zylinderförmigen Kapseln gefüllten Speichers © Zentrum für Energietechnik (ZET)
  • Einfluss des Kontaktschmelzens auf den Schmelzprozess © Zentrum für Energietechnik (ZET)
  • Erstarrung: Simulationsergebnisse zur Erstarrung in einer kugelförmigen Kapsel unter Berücksichtigung der Volumenänderung © Zentrum für Energietechnik (ZET)
  • Kugelströmung: Simulationsergebnisse zur Durchströmung eines mit kugelförmigen Kapseln gefüllten Speichers © Zentrum für Energietechnik (ZET)
  • Kugelversuch: Versuchsergebnisse zum Aufschmelzen in einer kugelförmigen Kapsel © Zentrum für Energietechnik (ZET)
  • Straßengebundener Wärmetransport zwischen Wärmequelle und -senke © Zentrum für Energietechnik (ZET)
  • Schematische Darstellung eines mobilen thermischen Speichers © Zentrum für Energietechnik (ZET)
  • Die Abbildung zeigt Exemplare erster einfacher Verkapselungsvarianten. © Zentrum für Energietechnik (ZET)

Wärmetransport verbessern

Die Verbesserungen erreichen die Forscher durch den Übergang von bisherigen Vollspeichern zu makroverkapselten Phasenwechselmaterialien (PCM) an. Diese haben eine größere wirksame Wärmeübertragerfläche und sind einfach herzustellen und zu befüllen, was die Wirtschaftlichkeit derartiger Wärmetransporte entscheidend verbessert. Das abdeckbare Einsatzspektrum mobiler Latentwärmespeicher wird durch Verwendung von Phasenwechselmaterial (eng. phase change material, kurz PCM) mit Schmelztemperaturen zwischen 70 und 150 Grad Celsius signifikant erweitert. Bisherige Speicher auf Basis Natriumacetat-Trihydrat eignen sich wegen des niedrigen Schmelzpunktes von 58 Grad Celsius nur für die Versorgung weniger spezieller Wärmesenken, z. B. zur Erwärmung von Schwimmbadwasser.

Effiziente Möglichkeiten der Makroverkapselung

Bei der Erforschung effizienter Möglichkeiten der Makroverkapselung müssen die Wissenschaftler zahlreiche Parameter untersuchen und optimieren, wie beispielsweise Geometrie, Größe, Material und Wandstärke. Anhand numerischer Simulationen führen sie hierfür systematische Parametervariationen durch. Dazu sind geeignete Modelle weiterzuentwickeln und zu validieren. In einem Laborspeicher werden aussichtsreiche Kapselgeometrien und Kapselschüttungen praktisch erprobt. Bei der Identifizierung geeigneter PCM sind zudem vielfältige thermodynamische sowie chemische und physikalische Stoffdaten durch Messungen zu ermitteln. Weiterhin ist die Verträglichkeit von PCM und Kapselmaterialien eingehend zu prüfen sowie die Wirtschaftlichkeit bei einer späteren Umsetzung der erarbeiteten Lösungsansätze zu betrachten. Eine Besonderheit gegenüber gewöhnlichen Speicherprojekten stellt hierbei die ganzheitliche Betrachtung vom Speicher- über das Kapselmaterial bis hin zur Kapselschüttung dar.

Größere Leistungssteigerung mit Kupfer und Aluminium

Der Variation der Kapselgeometrien wurde eine Untersuchung zu verschiedenen Additiven für die PCM vorangestellt um deren Potentiale für eine Leistungssteigerung bei der Be- und Entladung abschätzen zu können. Die größten Leistungssteigerungen können hierbei mit stabförmigen Kupfer- und Aluminiumzusätzen erzielt werden. Diese führten zu einer Verkürzung eines Ladezyklus um ca. 40 Prozent bei einer Zugabe von 10 Gewicht-Prozent. Die Frage ob die Zugabe von Additiven aus wirtschaftlicher Sicht der Vergrößerung der Kapseloberfläche vorzuziehen ist, soll durch die kommenden Arbeiten beantwortet werden.  
Ein wesentlicher Aspekt der Wirtschaftlichkeit ist die Zyklenzahl, welche im Rahmen dieses Projektes durch eine höhere Be- und Entladeleistung signifikant gesteigert werden soll.

Es werden Simulationsmodelle zur Beschreibung der Phasenwechselvorgänge in Makrokapseln erstellt. Verkapselungs- und Speichermaterialien werden ausgewählt und auf ihre Eignung hin untersucht und mit der Konzeptionierung der Speicherkapseln wurde begonnen. Nächste Schritte sind die Simulation des thermischen Verhaltens des Gesamtspeichers und der thermischen Ermüdung der Kapseln. Die Untersuchung der Verträglichkeit der Speicher- und Verkapselungsmaterialien sowie der Aufbau eines Laborspeichers schließen sich an.

Teilvorhaben

Modellierung und Simulation
Das zyklische Aufheizen und Abkühlen der Kapseln führt zur Ermüdung des Materials und bei fortschreitender Alterung zur Spannungsrisskorrosion. Um dieser Alterungserscheinung schon bei der Konzeption der Kapselgeometrie entgegenzuwirken, werden Finite-Elemente-Simulationen (FEM) der Kapseln durchgeführt. Die Modellierung und numerische Simulation der Phasenwechselvorgänge trägt maßgeblich zum Verständnis und zur zielgerichteten Nutzung der auftretenden Effekte und Einflüsse bei. Die Enthalpie-Methode für die Simulation von Phasenwechseln muss hierbei so angepasst werden, dass die freie Konvektion in den Kapseln sowie das Absinken von festem Speichermaterial berücksichtigt werden. Über die Simulation der Phasenwechselvorgänge in den einzelnen Speicherkapseln hinaus ist auch die Betrachtung des Gesamtsystems von großer Bedeutung. Besonderes Augenmerkt liegt dabei auf der Simulation der Strömung des Wärmeträgermediums im Speicher und dem thermischen Be- und Entladeverhalten des Gesamtspeichers.

Stoffdaten und Materialverträglichkeit
Zu Beginn dieses Teilvorhabens werden die erfolgversprechendsten Speichermaterialien- und Verkapselungsmaterialien ausgewählt. Für die Bewertung wird eine Anforderungsliste ausgearbeitet, die thermodynamische, technische sowie ökologische und ökonomische Kriterien berücksichtigt. Die Auswahl der zu untersuchenden Verkapselungsmaterialien umfasst z. B. Nichteisenmetalle sowie niedriglegierten und hochlegierten Stahl. Das Potential von beschichteten Werksstoffen wird an dieser Stelle ebenfalls analysiert. Im Zuge der konzeptionellen Entwicklung von Speicherkapseln ist deren Langzeitstabilität von größter Wichtigkeit. Aus diesem Grund stellen Untersuchungen zur Materialverträglichkeit von Speichermaterialien und Kapselmaterialien einen Kernpunkt dieses Teilvorhabens dar. Relevante Stoffdaten der Speichermaterialien und der Verkapselungsmaterialien werden zudem messtechnisch erfasst.

Laborspeicher
Ziel ist es, korrosionsbeständige und hocheffiziente Speicherkapseln zu konzipieren. Die ineinandergreifende Bearbeitung der thermodynamischen, materialtechnischen, verfahrenstechnischen und ökonomischen Fragestellungen erfordert hier eine sehr intensive Zusammenarbeit beider Partner. Nach erfolgreicher Entwicklung der Speicherkapseln sollen diese – über die numerischen Simulationen hinaus – messtechnisch in einem Laborspeicher untersucht werden. 

Ergebnisübertragung und Dokumentation
Das im Rahmen des Projektes generierte Wissen sowie die Simulationsergebnisse und Messdaten liefern einen essentiellen Beitrag zur Verbesserung thermischer Speicher auf Basis makroverkapselter PCM. Mobile Anwendungen und die damit einhergehenden speziellen Anforderungen werden zwar im Vordergrund des Vorhabens stehen, dennoch werden sich viele Erkenntnisse auch auf stationäre Speicher übertragen lassen. Das in diesem Projekt generierte Wissen zu latenten thermischen Speichern soll zudem in den ANNEX 29 des Durchführungsabkommens Energy Conservation through Energy Storage (ECES) der Internationalen Energie Agentur (IEA) eingebracht werden. Darüber hinaus werden die Ergebnisse des Vorhabens auch in adäquater Form veröffentlicht.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

25. September 2017
EU PVSEC 2017

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

5. Oktober 2017
Batterieinnovation - Forschung, Einsatz, Wirtschaftlichkeit

» Alle Termine

Projektadressen

Ansprechpartner
  • Andreas König-Haagen
    Universität Bayreuth – Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse (LTTT) - Zentrum für Energietechnik (ZET)
Weitere Adressen

Infobox

Forschungsförderung

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