Fraunhofer UMSICHT Institutsteil Sulzbach-Rosenberg
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 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.
