PCM-Latentwärmespeicher: Wärmespeicher für Industrie und Kraftwerke

Fraunhofer UMSICHT entwickelt Latentwärmespeicher auf Basis von Phasenwechselmaterialien (PCM) – von der Materialrezeptur über Verkapselung und Belademechanismen bis zur Pilot- und Demonstrationsanlage. Im Fokus stehen zwei Technologielinien: metallische PCM für den Hochtemperaturbereich oberhalb von 250 °C sowie Zuckeralkohole für den Mitteltemperaturbereich von 60 °C bis 200 °C.

Latentwärmespeicher: Funktionsprinzip und Einsatz in Industrie und Kraftwerken

Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel eines Materials – in der Regel von fest zu flüssig – zur Speicherung thermischer Energie. Anders als bei der sensiblen Wärmespeicherung, bei der Wärme über eine Temperaturerhöhung des Speichermediums aufgenommen wird, erfolgt die Speicherung hier über die Phasenwechselenthalpie bei nahezu konstanter Temperatur. Dadurch erreichen Latentwärmespeicher eine hohe Energiespeicherdichte in einem engen Temperaturbereich um den jeweiligen Phasenübergangspunkt des eingesetzten Phasenwechselmaterials (PCM).

In der Industrie entfallen rund 29 Prozent des deutschen Endenergieverbrauchs auf Produktionsprozesse; etwa 60 Prozent davon werden als Prozesswärme benötigt. Gleichzeitig bleiben in Deutschland jährlich mehr als 171 TWh industrielle Abwärme ungenutzt. Latentwärmespeicher mit PCM können diese Abwärme sowie aus überschüssiger Wind- und Solarenergie erzeugte Wärme zwischenspeichern und bedarfsgerecht als Prozesswärme oder Prozessdampf bereitstellen – ein Beitrag zur Sektorenkopplung und zur Dekarbonisierung von Industrie, Kraftwerken, Gewerbebetrieben und Kommunen. 

Leistungsangebot im Überblick: Materialentwicklung, Komponenten und Speicherentwicklung

Fraunhofer UMSICHT deckt die Entwicklung von Latentwärmespeichern über die gesamte Wertschöpfungskette ab – von der Materialrezeptur bis zur Pilotanlage.

Materialentwicklung: PCM-Rezepturen und Mischungen

Fraunhofer UMSICHT entwickelt Phasenwechselmaterialien für den jeweiligen Temperaturbereich und Anwendungsfall. Je nach Zielgröße kommen Mono-Materialien oder binäre und ternäre eutektische Mischungen zum Einsatz. Durch die gezielte Kombination mehrerer Komponenten lassen sich Schmelztemperatur, Schmelzenthalpie und Kristallisationsverhalten anpassen. Je nach Temperaturbereichund Anwendung werden derzeit Metalllegierungen oder Zuckeralkohole eingesetzt (siehe unten).

Komponenten: Verkapselung und Belade-/Auslösemechanismen

Für Betriebssicherheit und Lebensdauer eines Latentwärmespeichers sind die Komponenten rund um das PCM entscheidend. Fraunhofer UMSICHT entwickelt Verkapselungsmaterialien, die bei metallischen PCMs Korrosion und unerwünschte Wechselwirkungen mit dem Wärmeträgermedium verhindern. Für unterkühlbare PCMs wie Zuckeralkohole werden neue Mechanismen zur Beladung, Prozessführung und Auslösung der Kristallisation erforscht und entwickelt.

Speicherentwicklung, Pilot- und Demonstrationsanlagen, Skalierung

Fraunhofer UMSICHT baut und betreibt Versuchsanlagen für thermische Speicher im Labor- und Technikumsmaßstab, um Speicherkonzepte unter praxisnahen Bedingungen zu entwickeln, zu charakterisieren und zu skalieren. Beispiele sind die Technikumsanlage im Projekt TheMatIK für metallische PCM-Speicher und die Pilotanlage im Projekt ISSDEMO bei einem Industriepartner aus der Brauindustrie.

Latentwärmespeicher mit metallischen PCM (250 °C bis über 550 °C) {#metallische-pcm}

Versuchsanlage eines Latentwärmespeichers mit Phasenwechselmaterialien im Centrum für Energiespeicherung von Fraunhofer UMSICHT in Sulzbach-Rosenberg.

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

Vorteile metallischer PCM - Vergleich zu Salzspeichern

Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien steigt die Zahl der An- und Abfahrvorgänge in Kraftwerken. Konventionelle Kraftwerke sind auf diesen flexiblen Betrieb oft nicht ausgelegt. Hochtemperaturspeicher mit metallischen PCM bieten hierfür Vorteile gegenüber klassischen, sensiblen Salzspeichern:

Merkmal Metallische PCM Salzspeicher (sensibel)
Dynamik / Leistung sehr hoch niedrig
Systemtechnik einfach komplex
Speicherdichte (volumenbezogen) hoch niedrig (dafür hohe massenbezogene Dichte)
Temperaturbereich praktisch unbeschränkt < 560 °C
Herausforderung teilweise korrosiv, hohes Gewicht korrosiv, geringe Dynamik

Anwendungsfall Kraftwerk: Prozessdampf-Besicherung für Industrieparks

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:

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.

Komponente Funktion Kenndaten
Speisewasserbehälter Vorwärmung, Kontrolle Wasserqualität max. 90 °C, max. 1,5 bar
Speisepumpe Förderung Speisewasser 0,144–0,432 m³/h, max. 60 bar
Strömungserhitzer variable Austrittstemperatur max. 220 °C, max. 60 bar
Wärmespeicher Erwärmung, Verdampfung, Überhitzung max. 550 °C, max. 60 bar, bis ca. 60 kWh
Rückkühler Enthitzung, Kondensation, Unterkühlung max. 400 °C, max. 15 bar

Latentwärmespeicher mit Zuckeralkoholen (60 °C bis 200 °C)

Versuchsanlage zur Testung von Latentwärmespeichern für den Temperaturbereich zwischen 100 °C und 250 °C.

Für den Mitteltemperaturbereich untersucht Fraunhofer UMSICHT Zuckeralkohole (Polyole) als Phasenwechselmaterialien – u. a. Erythritol, Xylitol, D-Sorbitol und D-Mannitol. Diese Stoffgruppe zeichnet sich durch hohe Schmelzenthalpien, geeignete Schmelztemperaturen und vorteilhafte polymorphe Eigenschaften aus.

Zuckeralkohole sind nicht toxisch, umweltfreundlich und nicht korrosiv; da mehrere Vertreter auch als Lebensmittelzusatzstoff eingesetzt werden, sind sie großindustriell verfügbar und kostengünstig.

 

Für den praktischen Einsatz als Latentwärmespeicher ergeben sich folgende Kennwerte:

  • Speicherdichte ca. 130–200 kWh/m³
  • Keine Selbstentladung bzw. Speicherverluste im unterkühlten Zustand – anders als bei sensiblen Speichern ist keine aufwändige Dauerisolierung erforderlich
  • Technologiereifegrad TRL 4; Kosten für PCM  ca. 2–5 €/kWh

Materialauswahl: Schmelztemperaturen und -enthalpien

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.

 

PCM Schmelztemperatur Schmelzenthalpie
Xylitol ca. 93 °C ca. 233 J/g
D-Sorbitol ca. 98 °C ca. 190 J/g
Erythritol ca. 119 °C ca. 333 J/g
D-Mannitol ca. 166 °C ca. 275 J/g
Xylitol-Erythritol (eutektisch) ca. 81 °C ca. 267 J/g
Erythritol-Xylitol-Sorbitol (eutektisch) ca. 68 °C ca. 229 J/g

Unterkühlung gezielt nutzen: verlustarme Zwischenspeicherung 

Die Schmelzen von Zuckeralkoholen neigen zur Unterkühlung: Sie bleiben nach dem Schmelzen auch unterhalb der Erstarrungstemperatur zunächst flüssig oder gehen in einen glasartigen Zustand über. Fraunhofer UMSICHT nutzt diesen Effekt gezielt für die Speicherung: Die Wärme bleibt in der unterkühlten Schmelze metastabil erhalten. Für eine eutektische Mischung aus Xylitol und Erythritol wurde eine stabile Unterkühlung über mindestens 10 Tage nachgewiesen, bei thermischer Stabilität bis rund 200 °C.

Die Freisetzung der Wärme erfolgt kontrolliert durch gezielte Auslösung der Kristallisation – vergleichbar einer bedarfsgerechten Wärmeabgabe auf Knopfdruck. Als Auslösemechanismen werden mechanische Verfahren (Rühren, Scherung), Keimimpfung, Lufteinblasung, Ultraschall und Additive untersucht. Diese Prinzipien bilden die Grundlage für das Projekt WäKo – »Wärme auf Knopfdruck«.

Anwendung: industrielle Abwärme im Mitteltemperaturbereich

Weltweit entstehen rund 63 % der industriellen Abwärme unterhalb von 100 °C. Eine Umwandlung dieser Abwärme in Strom ist aufgrund des Carnot-Wirkungsgrads bei diesen Temperaturen wenig effizient. Latentwärmespeicher mit Zuckeralkoholen bieten sich daher für die direkte thermische Zwischenspeicherung und spätere Nutzung als Prozesswärme an – etwa in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, in der ohnehin mit lebensmitteltauglichen, unbedenklichen Stoffen gearbeitet werden muss. 

Speichertests und Validierung für Hersteller von Speichern und PCM

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

Speicherintegration und Speicherstudien für Anwender

Nicht jeder thermische Speicher passt zu jeder Anwendung. Mit Energiespeicherstudien bewertet Fraunhofer UMSICHT, ob und wie ein Latentwärmespeicher mit PCM in Ihrem Unternehmen, an Ihrem Standort oder in Ihrem Prozess einen wirtschaftlichen und ökologischen Mehrwert schafft.

Wir analysieren Ihre individuellen Randbedingungen – Energieflüsse, Lastprofile und Betriebsweisen – und vergleichen geeignete Speichertechnologien hinsichtlich technischer Eignung, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit. Der Technologievergleich erfolgt objektiv und unabhängig von einzelnen Anbietern.

Leistungen

  • Analyse bestehender Energie- und Prozessstrukturen
  • Identifikation von Speicherpotenzialen und Flexibilitätsoptionen
  • Technologievergleich unterschiedlicher Speicherlösungen
  • Auslegung und Dimensionierung geeigneter Speicher
  • Bewertung von Wirtschaftlichkeit und Investitionsrisiken
  • Analyse von CO₂-Einsparpotenzialen und Nachhaltigkeitseffekten
  • Entwicklung von Integrations- und Betriebskonzepten
  • Handlungsempfehlungen für Investitionsentscheidungen

Ihr Mehrwert

  • Fundierte, unabhängige Entscheidungsgrundlage für Investitionen
  • Reduzierung von Energie- und Betriebskosten
  • Höhere Versorgungssicherheit und Prozessstabilität
  • Optimale Integration in bestehende Energiesysteme
  • Transparente Bewertung ökologischer und ökonomischer Effekte

Projektbeispiel

 

Fraunhofer UMSICHT startet Projekt ISSDEMO

Entwicklung eines ultra-dynamischen Hochtemperatur-Wärmespeichers

weitere Informationen

 

Fokusthema

Local Energy Systems: Transformation der Energieversorgung von Quartieren und Industrie

Weitere Informationen finden Sie hier.