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Stofflicher Speicher
BMWi
Phasenwechselmaterial 11.4.2017

Die dreidimensionalen Drahtgeflechte werden in das Phasenwechselmaterial integriert. Diese Drahtstrukturen gibt es in verschiedenen Aussführungen.
© Fraunhofer IFAM Dresden

Dreidimensionales Drahtgeflecht steigert Dynamik

Modulare Speichereinheiten für einen Temperaturbereich von 150 bis 350 Grad Celsius rüsten und gleichzeitig hohe Energie- und Leistungsdichten erreichen, ist das erklärte Ziel der Forscher im Projekt MOSPEDRA. Dazu müssen die Wissenschaftler zunächst die Dynamik der Speichermodule steigern. Das wollen sie mit einer neuen metallischen Wärmeleitstruktur erreichen, die in ein Phasenwechselmaterial eingebettet ist.

Projektstatus Kurz vor Fertigstellung
Speichereffekt Phasenwechsel (Latentwärme) – Salz
Entwicklungsgegenstand Modul-Speicherkonstruktion
Be-/Entladeeinrichtungen Wärmeübetrager
Temperaturtyp Hochtemperatur
Speicherung/Ladung indirekt
Speicherzeit kurz (Stunden bis Tage)
Zyklenzahl > 35.000
Ladetemperaturbereich 150 bis 350 °C
Entladetemperaturbereich 150 bis 350 °C
Speicherkapazität noch offen
Energiespeicherdichte ~ 400 MJ/m³
Projektlaufzeit April 2014 bis Juni 2017

Die zu entwickelnden Speichermodule nutzen das latente Wärmespeichervermögen eines sogenannten Phasenwechselmaterials (engl. Phase Change Material, PCM) während des Schmelzens beziehungsweise Erstarrens. Geeignete PCM im Temperaturbereich zwischen 150 und 350 Grad Celsius sind Salze oder Salzmischungen, die über eine sehr hohe volumenbezogenen Schmelzwärme verfügen; die Energiedichte liegt dabei bei bis zu 150 kWh/m³.

Ein wesentlicher Nachteil dieser und anderer Phasenwechselmaterialien ist jedoch deren geringe Wärmeleitfähigkeit. Durch Integration hochporöser metallischer Wärmeleitstrukturen in das PCM kann dieser Nachteil kompensiert werden.

Drahtgeflecht in PCM integriert

Neue dreidimensionale Drahtstrukturen aus gut Wärme leitenden Metallen, wie beispielsweise Aluminium und Kupfer, sind für diesen Zweck besonders geeignet. Die richtungsabhängige Wärmeleitfähigkeit lässt sich maßschneidern und übersteigt die des reinen PCM dann um ein Vielfaches. Damit lässt sich die Leistungsdichte des Speichermoduls in weiten Grenzen variieren.

  • Energiespeicher mit hoher Leistungsdichte und schnellen Zykluszeiten
  • PCMs und Drahtstrukturen vorhanden
  • Aufgabe: Abstimmung der Einzelkomponenten aufeinander mit Hinblick auf gute Wärmeleitung und Korrosionsverträglichkeit aller Komponenten
  • Die dreidimensionale Drahtstruktur ist zwischen zwei Deckplatten eingelötet. © Fraunhofer IFAM Dresden
  • Die Abbildung zeigt eine mögliche Demonstrator-Konfiguration für einen 3D-Draht-Hochleistungs-Wärmespeicher. © Fraunhofer IFAM Dresden
  • Links sind die Speicherdichten sowie Schmelztemperaturen einiger Phasenwechselmaterialien zu sehen, rechts ist die Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit einer 3D-Drahtstruktur dargestellt. © Fraunhofer IFAM Dresden
  • Die dreidimensionalen Drahtgeflechte werden in das Phasenwechselmaterial integriert. Diese Drahtstrukturen gibt es in verschiedenen Aussführungen. © Fraunhofer IFAM Dresden

Forschungsfokus und Optimierung

Verwendung von offenzeligen Strukturen in Form von Drahtstrukturen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der zur Wärmespeicherung notwendigen PCM-Salze:

  • schnelle PCM Speicher
  • kürzere Zykluszeiten
  • modulare Bauweise (individualisierbar)
  • Nutzung von Simulationssoftware zur Auslegung und Berechnung

Verbundpartner teilen sich die Aufgaben

  • Erstellung einer Anforderungsspezifikation des geplanten Speichers mit allen Projektpartnern
  • Entwicklung und Herstellung der 3D Drahtstrukturen einschließlich Beschichtung und Fügetechnik
  • Korrosionsprüfung und Ermittlung relevanter Kennwerte und Werkstoffgesetze
  • Rechnerische Vordimensionierung der Speichermodule und Wärmeübertrager mittels Simulation
  • Aufbau eines Funktionsmusterprüfstandes, Aktualisierung der Anforderungen
  • Prüfungen der Funktionsmuster sowie iterative Verbesserung dieser
  • Auswertung der Funktionsmuster-Prüfungen, technische und wirtschaftliche Bewertung
Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

31. Mai 2017
Intersolar Europe 2017

31. Mai 2017
ees Europe

1. Juni 2017
8. Forum ElektroMobilität – KONGRESS

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Infobox

Forschungsförderung

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