Metallverkapselte PCM / 30.06.2014

Hochtemperaturwärmespeicher mit einzigartiger Wärmeleistung

PCM-gefüllte metallische Hohlkugeln. © Fraunhofer IFAM Dresden
Metallographischer Schliff der Schale einer beschichteten Hohlkugel. © Fraunhofer IFAM Dresden
Einfluss des Kugeldurchmessers auf die Wärmeübertragungsleistung und die Ladezeit bei einer Schüttung aus Kugeln, gefüllt mit Natriumnitrat (NaNO3) © Fraunhofer IFAM Dresden
Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität eines Wärmeträgers durch schwimmende gefüllte Hohlkugeln unter Verwendung von Lithiumnitrat (LiNO3) als PCM © Fraunhofer IFAM Dresden
Gesinterte metallische Hohlkugeln als Ausgangsbasis für die Infiltration mit dem PCM. © Fraunhofer IFAM Dresden

Die Entwicklung effektiver thermischer Speichertechnologien ermöglicht es, bisher nicht genutzte Wärme zu nutzen und damit Energieeinsparpotenziale zu erschließen.
Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz bieten sich besonders im Bereich der Prozesswärmenutzung an.

Hierfür wurden im Jahr 2008 rund 23 % der Endenergie in Deutschland (552 Mrd. kWh) verbraucht. Ein großer Teil dieser Prozesswärme steht nach dem technologischen Prozess als Abwärme zur Verfügung. Wärmespeicher ermöglichen eine örtlich und vor allem zeitlich versetzte Nutzung dieser Abwärme und damit die Erschließung dieses enormen energetischen Potenzials.

PCM-Kügelchen verbessern Wärmetransport

Eine Möglichkeit zur Speicherung thermischer Energie im Temperaturbereich zwischen 130 °C und 350 °C sind Phasenwechselmaterialien (PCM – Phase Change Materials), bei denen die Wärmespeicherung beim Phasenübergang fest-flüssig erfolgt. Übliche PCM-Speicherelemente sind jedoch gekennzeichnet durch einen begrenzten Wärmeübergang zwischen Wärmeträger und PCM sowie die schlechte Wärmeleitung im PCM. Beide Effekte beschränken die Wärmeleistung entscheidend. Um einen besseren Wärmeübergang und bessere Wärmeleitung zu erreichen, wird ein mechanisch stabiles "PCM-Schüttgut" entwickelt, welches gut durchströmbar ist und damit insbesondere bei Gasen einen effektiven Wärmetransport gewährleistet. PCM-gefüllte metallische Hohlkugeln im Millimeter-Durchmesserbereich sollen die Funktion dieses „Schüttgutes“ übernehmen.

Das neue Material kann vorrangig dafür genutzt werden, Abwärme (z. B. heiße Abgase einer Verbrennung) aus Gasströmen auszukoppeln oder Wärme in Gasströme einzukoppeln. Ebenso lässt sich die Effektivität von Katalysatoren dadurch verbessern, dass ihre Arbeitstemperatur auf gleichmäßigem Niveau gehalten wird.
Ein weiterer Ansatz besteht darin, die meist geringe Wärmekapazität von Wärmeträgerflüssigkeiten für den Hochtemperaturbereich (z. B. Thermoöle) durch Zugabe der PCM-Kapseln deutlich zu steigern.

Optimierung des Wärmeträgersystems

Die Arbeiten umfassen die Auswahl geeigneter PCM (Salze, Salzmischungen, Zuckeralkohole, Hydroxide …). Entscheidende Kriterien hierbei sind die Temperatur des Phasenüberganges, die Schmelzenthalpie sowie mögliche korrosive Wechselwirkungen mit den porösen Schalen der als Kapseln dienenden metallischen Hohlkugeln.

Auf dem Weg zur funktionierenden Speichertechnologie arbeiten die Forscher zugleich auf mehreren Handlungsfeldern: Neben der Fertigung der metallischen Hohlkugeln, dem Befüllen mit PCM sowie dem zuverlässigen Aufbringen einer Versiegelung erfolgt – falls erforderlich – zusätzlich eine katalytische Beschichtung.

Sollen die PCM-Kapseln als pumpbare Wärmekapazität in Thermoölen eingesetzt werden, dann müssen ihre mechanischen Eigenschaften dafür optimiert werden.

Aktuelle Projektarbeiten beschäftigen sich einerseits mit der Auswahl und wärmetechnischen Charakterisierung geeigneter PCM andererseits mit der Entwicklung von Werkstoffen für die metallischen Hohlkugeln sowie für deren Versiegelung. Im Labormaßstab wird die Infiltrationstechnologie zur Befüllung der Kugeln entwickelt.

Mehr zum Projekt

Mesoskalige, metallverkapselte Hochtemperatur-PCM für dynamische Wärmespeicher (MetPCM)

Projektleitung:

hollomet GmbH, Dresden, Dr. Norman Reger

Projektpartner:

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Institutsteil Dresden, Dr. Hartmut Göhler

Institut für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH (ILK), Dresden, Dr. Carmen Hille

ReMetall Drochow GmbH, Drochow, Dr. Rainer Wegner

Assoziierter Partner:

AEL Apparatebau Leisnig GmbH, Leisnig, Dr. Detlef Seime

Laufzeit:

2013 – 2016

Förderkennzeichen:

03ESP165A-C

Links

H. Göhler, U. Jehring, K. Kümmel, J. Meinert, P. Quadbeck, G. Stephani, B. Kieback; Metallic Hollow Sphere Structures - Status and Outlook;
Proceedings CELLMAT 2012, Dresden, 07.-09.11.2012

Forschungsförderung

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