PCM-Latentwärmespeicher: Wärmespeicher für Industrie und Kraftwerke

Metallische Phasenwechselmaterialien eignen sich für den Hochtemperaturbereich oberhalb von 250 °C. Je nach eingesetzter Legierung – etwa auf Basis von Aluminium, Zink oder Kupfer – werden Schmelzpunkte von rund 250 °C bis über 650 °C erreicht. Aluminium schmilzt bei ca. 660 °C, Kupfer zeichnet sich durch besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aus, Zink wird bevorzugt im mittelhohen Temperaturbereich eingesetzt. Fraunhofer UMSICHT entwickelt sowohl die Legierungen selbst als auch geeignete Verkapselungsmaterialien.

Metallische PCM bieten für den industriellen Einsatz folgende Eigenschaften:

• Hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht hohe Speicherdynamik und einfache Wärmeübertrager-Geometrien
• Hohe volumetrische Speicherdichte (150–700 kWh/m³) erlaubt kompakte Bauweise
• Stabile Leistungsfähigkeit auch bei hohen Temperaturen, ohne Degradatio
• Technologiereifegrad TRL 5; Materialkosten ca. 50–80 €/kWh

Industrielle Heizkraftwerke stellen über Kraft-Wärme-Kopplung neben Strom auch Prozessdampf für Industrie- und Chemieparks bereit. Beim Abfahren eines Heizkraftwerks – etwa für Revisionen oder bei niedrigen Strommarktpreisen – übernehmen meist fossil befeuerte Hilfskessel (Besicherungskessel, Reservekessel) die Dampferzeugung. Diese müssen im Mindestlastbetrieb vorgehalten werden, was mit hohem Verbrauch an Heizöl oder Erdgas und entsprechend hohen Kosten verbunden ist.

Ein metallischer Hochtemperaturspeicher kann die Prozessdampfversorgung beim Herunterfahren oder im Teillastbetrieb überbrücken. Die Hilfskessel können in den Warmhaltebetrieb überführt werden, wodurch Brennstoffkosten eingespart werden. Erste Wirtschaftlichkeitsberechnungen von Fraunhofer UMSICHT zeigen kurze Amortisationszeiten für diesen Anwendungsfall.

Metallbasierte Latentwärmespeicher eignen sich darüber hinaus für Prozesswärmeanwendungen mit hohem, kurzfristigem Dampf- oder Wärmebedarf – etwa in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. In Brauereien führt der chargenweise Brauprozess zu unregelmäßigen Lastspitzen beim Dampfverbrauch, die klassische Speicher nur begrenzt abfangen können. Im Projekt ISSDEMO wird ein Pilotspeicher (Temperaturbereich 250 °C bis 500 °C) für diesen Anwendungsfall bei einem Partner aus der Braubranche unter realen Bedingungen erprobt (eigene Projektseite).

Technikumsanlage im Projekt TheMatIK: Im Projekt TheMatIK (gefördert durch das BMBF, mit den Partnern enolcon GmbH, Ostbayerische Technische Hochschule Amberg-Weiden und Uniper Technologies GmbH) wurden metallische PCM und metallische Verkapselungen auf ihre Eignung als Hochtemperaturspeicher untersucht – von der Definition der Anforderungsparameter über Strömungssimulation und Zyklenstabilitätstests im Labormaßstab bis zur Prozesssimulation der Speicherintegration in ein reales Prozessdampfnetz. Zur Nachstellung einer realitätsnahen Prozessdampf-Bereitstellung betreibt Fraunhofer UMSICHT eine rund 6 Meter hohe Technikumsanlage.

Reine Zuckeralkohole sowie deren Mischungen zeigen unterschiedliche Schmelztemperaturen und -enthalpien.

Durch binäre und ternäre eutektische Mischungen lässt sich die Schmelztemperatur gegenüber den reinen Materialien gezielt absenken und auf den Anwendungsfall abstimmen – bei weiterhin hoher Speicherdichte.

Sie entwickeln einen thermischen Speicher oder ein Phasenwechselmaterial und möchten dessen Leistungsfähigkeit, Effizienz oder Betriebssicherheit nachweisen? Fraunhofer UMSICHT validiert Latentwärmespeicher sowohl auf Material- als auch auf Systemebene – unter praxisnahen Bedingungen und mit wissenschaftlicher Begleitung.

Auf Materialebene charakterisieren wir Phasenwechselmaterialien unter anderem mittels Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetrie und optischer Analysemethoden. Im Fokus stehen Schmelztemperatur, Schmelzenthalpie und Zyklenstabilität über wiederholte Lade- und Entladevorgänge. Bei unterkühlbaren PCM wie Zuckeralkoholen prüfen wir zusätzlich die Langzeitstabilität der unterkühlten Schmelze und das Viskositätsverhalten – beides entscheidend für eine kontrollierte, gezielt auslösbare Entladung.

Auf Systemebene können wir Speicher an unsere Testinfrastruktur und an unser Wärmenetz anschließen. So lassen sich Be- und Entladevorgänge über definierte Lastzyklen nachstellen und Kennwerte wie Wirkungsgrad, Speicherkapazität und Leistungsdichte unter definierten, praxisnahen Randbedingungen ermitteln. Für metallische PCM-Speicher prüfen wir zusätzlich die Zyklenstabilität der Verkapselung und das Korrosionsverhalten unter Betriebsbedingungen. Fraunhofer UMSICHT baut seine Testkapazitäten für thermische Speicher kontinuierlich aus, etwa um Be- und Entladevorgänge mit unterschiedlichen Medien sowie Stillstandsverluste über längere Zeiträume präzise zu erfassen.

Leistungen: 

• Materialcharakterisierung von PCM (Schmelzverhalten, Enthalpie, Zyklenstabilität, Unterkühlungsverhalten)
• Anschluss des Speichers an unsere Testinfrastruktur und unser Wärmenetz
• Be- und Entladung über definierte Test- und Lastzyklen
• Ermittlung von Wirkungsgrad, Speicherkapazität und weiteren Leistungskennwerten
• Prüfung von Verkapselung und Korrosionsverhalten (bei metallischen PCM)
• Validierung von Simulations- und Auslegungsmodellen
• Mitwirkung an Prüfmethoden und Kennzahlensystemen zur vergleichbaren Bewertung thermischer Speicher
• Wissenschaftliche Begleitung, Datenauswertung und individuelle Prüfberichte

Ihr Mehrwert:

• Objektiver, wissenschaftlich fundierter Leistungsnachweis Ihres Speichers oder PCM
• Belastbare Kennwerte für Entwicklung, Zulassung und Vermarktung
• Frühzeitige Identifikation von Optimierungspotenzialen
• Reduziertes Risiko vor Markteinführung oder Serienfertigung