Speichersysteme für thermische Energie

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Latentwärmespeicher: Funktionsprinzip und Forschungsschwerpunkte#

Latentwärmespeicherung nutzt den Phasenwechsel des Materials (in der Regel von flüssig zu fest) zur Speicherung von Wärme. Neben der temperaturkonstanten Bereitstellung von Wärme, ist besonders die hohe Energiespeicherdichte in einem kleinen Temperaturbereich der entscheidende Vorteil dieser Speichermethode gegenüber der sensiblen Wärmespeicherung. Bei den meisten Anwendungen von Latentwärmespeichern liegt die Betriebstemperatur in einem sehr engen Bereich um den Phasenübergangspunkt.

© Fraunhofer UMSICHT
Abbildung 1 Blick von oben in einen Alditol-Latentwärmespeicher
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Abbildung 2 Bild eines Wärmeübertragersystems im Aufbau
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Abbildung 3 Versuchsanlage zur Testung von Latentwärmespeichern für den Temperaturbereich zwischen 100 °C und 250 °C

Fraunhofer UMSICHT untersucht verschiedene Phasenwechselmaterialien in Forschungsanlagen im Labor- und Technikumsmaßstab. Neben Erfahrung und wissenschaftlichem Know-how, ist UMSICHT auch technisch optimal für die Entwicklung anwendungsspezifischer Wärmespeicher ausgestattet. Im Fokus der Forschung steht die anwendungsnahe Entwicklung von Latentwärmespeichern. Die Wissenschaftler von UMSICHT forschen insbesondere an Möglichkeiten, die zeitliche Flexibilität von Latentwärmespeichern zu erhöhen und damit die bedarfsorientierte Bereitstellung von Wärme zu ermöglichen.

Latentwärmespeicher Temperaturbereich 100 °C bis 250 °C

Fraunhofer UMSICHT forscht an verschiedenen Materialien im Mitteltemperaturbereich (100 °C bis 250 °C) zur Nutzung industrieller Abwärme. In diesem Temperaturbereich steht eine breite Palette von Phasenwechselmaterialien (PCM) zur Verfügung. Die bekanntesten Materialgruppen sind hierbei Salzhydrate, Paraffine, Polyethylenglykole, Zuckeralkohole und Nitrate. Eine ebenfalls vielversprechende Gruppe sind organische Polymere. Die meisten Polymere werden großindustriell hergestellt, was zu einer hohen Verfügbarkeit und damit zu niedrigen Preisen führt. Ein besonders interessantes Polymer ist HDPE, da es einige für Speichermaterialien vorteilhafte Eigenschaften besitzt: hohe Phasenwechselenthalpie, geringe Kosten, hohe Stabilität im geschmolzenen Zustand, ungiftig, niedriger Preis und hohe Verfügbarkeit. Seine geringe Wärmeleitfähigkeit kann unter anderem durch das Speicherdesign kompensiert werden.

Neben Polymeren haben auch Zuckeralkohole (Alditole) ein großes Potenzial als PCM, da sie einen geeigneten Schmelzpunkt im gewünschten Temperaturbereich zwischen 100 °C und 250 °C und eine hohe Schmelzenthalpie besitzen. Außerdem sind sie ungiftig, umweltfreundlich und nicht korrosiv. Da einige als Lebensmittelzusatzstoffe oder im pharmazeutischen Bereich eingesetzt werden, werden sie in großem industriellen Maßstab produziert und sind gut verfügbar.

Ein Pilotspeicher zum Thermomanagement einer Hochtemperatur-Methanol-Brennstoffzelle wurde im Projekt »eleMeMe« (Dezentrale Entkopplung von Stromerzeugung und Energieversorgung durch Kopplung von onsite-elektrochemischer Methanolerzeugung und Methanolbrennstoffzellen), gefördert durch das BMWi, untersucht. Hierbei liefert die Brennstoffzelle während ihres Betriebs die Abwärme, welche im Speicher eingespeichert wird. Diese Wärme wird zu einem späteren Zeitpunkt genutzt um die Brennstoffzelle, nach einer gewissen Stillstandszeit, wieder für den Betrieb vorzuwärmen.

Zur gezielten Untersuchung und Optimierung des Systems wurde eine Versuchsanlage und ein Latentwärmespeicher mit HDPE als PCM entwickelt. Diese Versuchsanlage ist auf der Abbildung 3 dargestellt. Sie hat sowohl im Vor- als auch im Rücklauf verschiedene Messtechnik zur Ermittlung der Temperatur-, des Drucks- und des Volumenstroms. Im Latentwärmespeicher selbst sind mehrere Thermoelemente zur detaillierten Überwachung seines Betriebsverhaltens eingebracht. Hierdurch konnte der Speicher optimal charakterisiert und die Funktionalität des Systems bewiesen werden.

Latentwärmespeicher Temperaturbereich 250 °C bis 550 °C

Für den Mittel- und Hochtemperaturbereich erforscht Fraunhofer UMSICHT den Einsatz von Metalllegierungen als Phasenwechselmaterialien. Die Grundlage des Wärmespeichers bilden hier die Entwicklung und Untersuchung von metallbasierten Phasenwechselmaterialien sowie geeigneten Verkapselungsmaterialien im Mittel- bis Hochtemperaturbereich. Durch die hohen Wärmeleitfähigkeiten von Metalllegierungen lassen sich mit einfachsten Wärmespeichergeometrien bereits hohe Speicherdynamiken erzielen. Die möglichen Anwendungsgebiete sind unabhängig vom eingesetzten Wärmeträgermedium und erstrecken sich über die Bereitstellung von Prozesswärme / Prozessdampf hinaus. Überall dort, wo schnell Wärme ein- und ausgespeichert werden muss, können metallbasierte Latentwärmespeicher eine Lösung sein.

Weitere Informationen zu Mittel- und Hochtemperaturspeichern

Freisetzung von Wärme auf Knopfdruck

Im Allgemeinen gilt ein Latentwärmespeicher als geladen, sobald das Phasenwechselmaterial (PCM) vollständig aufgeschmolzen ist und eine bestimmte Temperatur oberhalb der Phasenwechseltemperatur erreicht ist. Der Speicher muss diese Temperatur halten, bis der Entladevorgang gestartet wird. Dazu muss entweder eine konstante Energiezufuhr gewährleistet sein, um die Verluste an die Umgebung zu überwinden, eine ausreichend effiziente Dämmung angebracht oder die Zeit zwischen Be- und Entladung entsprechend kurz gewählt werden. Diese Tatsache schränkt die Nutzbarkeit der Speicher vor allem aufgrund der mangelnden zeitlichen Flexibilität ein.

Anstatt die Wärme unmittelbar nutzen zu müssen, sobald das Speichermaterial seine Phasenwechseltemperatur erreicht hat, ist es vorteilhaft, wenn die latente Wärme bei Bedarf abgegeben werden kann. Dazu werden Materialien benötigt, die, wenn sie geschmolzen sind, beim Abkühlen in der flüssigen Phase verbleiben. Dadurch wird latente Wärme nicht unmittelbar abgeben, sondern temperaturunabhängig bereitgestellt.

Alditole als Beispiel kristallisieren von Natur aus nicht bei der gleichen Temperatur aus, bei der sie schmelzen, sondern bei einer deutlich niedrigeren Temperatur. Dieser Effekt wird als Unterkühlung bezeichnet. Einige unterkühlte Materialien sind bei Raumtemperatur stabil und die Kristallisation, und damit die Wärmeabgabe, kann durch eine Auslösevorrichtung gestartet werden. Mit diesen Materialien könnte Wärme bei jeder Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt und der Raumtemperatur gespeichert und somit die zeitliche Flexibilität von Latentwärmespeichern erhöht werden. Neben ihrer Möglichkeit zur Langzeitspeicherung von Wärme, weisen Alditole eine hohe Energiespeicherdichte auf. Zusätzlich sind sie einfach in der Handhabung, nicht korrosiv oder toxisch und in großen Mengen verfügbar. Zur Einspeicherung diskontinuierlich anfallender Abwärme auf dem Temperaturniveau zwischen 90 °C und 250 °C sind Alditole besonders geeignet. Damit sind sie in der Lage industrielle Abwärme auf diesem Temperaturniveau aufzunehmen, wie sie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie vorkommt, und bedarfsorientiert nutzbar zu machen.

Auf speziell entwickelten Prüfständen hat UMSICHT bereits passende Mechanismen untersucht, welche die Wärme aus dem PCM gezielt freisetzen können. Neben der technischen Umsetzbarkeit, werden auch die Speichermaterialien weiter optimiert. Ein erster Latentwärmespeicher zur Abgabe der Wärme auf Knopfdruck im Technikumsmaßstab wird gerade untersucht und liefert vielversprechende Ergebnisse. 

 

Lösungen / Anwendungen#

Thermische Speicher für Industriekraftwerke

Metallische Wärmespeicher können die Prozessdampferzeugung industrieller Kraftwerke flexibilisieren

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© Fraunhofer UMSICHT / Kurt Fuchs

Sensible Wärmespeicher speichern Wärme in einem Stoff bzw. Stoffgemisch, wobei eine Temperaturänderung auftritt. Neben einfachen (Heiß-)Wasserspeichern, wie sie in Heizungsanlagen Anwendung finden können, kommen als Speichermedium Flüssigkeiten, Gase, aber auch Feststoffe zum Einsatz. Bei Schüttschichtspeichern dienen Feststoffe in Form von mineralischen und keramischen Schüttgütern als Wärmespeichermedium. Diese stehen dabei im direkten Kontakt mit heißen korrosiven Abgasen und weisen dadurch hohe Wirkungsgrade auf. Ein Einsatzgebiet ist die Nutzung von Hochtemperaturabwärme in Industrieprozessen, wodurch die Energieeffizienz in Betrieben gesteigert werden kann. Ebenso kann die Strom- und Wärmeproduktion in Kraftwerken entkoppelt werden.

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© Fraunhofer UMSICHT

Thermochemische Wärmespeicher speichern Wärme durch reversible chemische Reaktionen oder physikalische Sorptionsprozesse, d.h. Enthalpie wird über einen chemischen oder physikalischen Prozess freigesetzt oder gespeichert. Solche Systeme verfügen über hohe Energiespeicherdichten und geringe Speicherverluste.