Dreidimensionale Drahtstrukturen und PCM / 16.07.2014

Modulare Prozesswärme-Speicher

Mögliche Demonstrator-Konfiguration für einen 3D-Draht-Hochleistungs-Wärmespeicher © Fraunhofer IFAM Dresden
Zwischen zwei Deckplatten eingelötete 3D-Drahtstruktur © Fraunhofer IFAM Dresden
Beispiele für 3D-Drahtstrukturen © Fraunhofer IFAM Dresden
Links: Speicherdichten und Schmelztemperaturen einiger PCM, rechts: Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit einer 3D-Drahtstruktur © Fraunhofer IFAM

Das Ziel des im April 2014 gestarteten Projektes MOSPEDRA ist es, sehr schnelle modulare Prozesswärme-Speichereinheiten für den Temperaturbereich von 150 °C bis 350 °C mit bisher nicht erreichter Energie- und Leistungsdichte zu entwickeln. Die Dynamik der Speichermodule soll soweit gesteigert werden, dass sie für die Erzeugung von Prozessdampf geeignet sind. Erreichbar wird dies durch vollmetallische, neuartige Wärmeleitstrukturen, die in ein Phasenwechselmaterial (Phase Change Material PCM) integriert und stoffschlüssig mit dem Wärmeübertrager verbunden werden. Damit unterscheidet sich die avisierte Lösung signifikant von bisherigen Ansätzen wie beispielsweise dem Einsatz von Grafitflakes oder Grafitschäumen zur Erhöhung der Wärmleitfähigkeit des PCM. Denn diese Materialien lassen sich nicht stoffschlüssig mit dem Wärmeübertrager verbinden und weisen damit hohe Kontaktwiderstände auf. Insbesondere Spaltbildung verhindert dann einen ausreichend hohen Wärmetransport, die Leistung des Speichermoduls ist nicht dauerhaft ausreichend für die Erzeugung von Prozessdampf.

Wichtig ist die schnelle Be- und Entladung des PCM-Speichers

Die Be- und Entladeleistung ist für den Einsatz von Wärmespeichern von grundlegender Bedeutung, da sich die Nutzung von Abwärme mit Hilfe innovativer Speichertechnologien nur dann durchsetzt, wenn sich durch schnelle Be- und Entladezyklen einen Kostenvorteil gegenüber der Erzeugung „neuer“ Wärme ergibt. Mit der Fokussierung auf Prozesswärmetemperaturen zwischen 150 °C und 350 °C erschließen die zu entwickelnden Speichermodule ein enormes Abwärmepotenzial, welches bisher weitgehend ungenutzt ist.

Diese Speichermodule nutzen das latente Wärmespeichervermögen eines Phasenwechselmaterials während des Schmelzens / Erstarrens. Geeignete PCM im avisierten Temperaturbereich sind Salze bzw. Salzmischungen, die über eine sehr hohe volumenbezogenen Schmelzwärme verfügen (Energiedichte bis zu 150 kWh/m³). Dazu kommt der Vorteil der Wärmeübertragung bei nahezu konstanter (Schmelz-) Temperatur. Ein wesentlicher Nachteil dieser und anderer PCM ist jedoch deren geringe Wärmeleitfähigkeit. Durch Integration hochporöser metallischer Wärmeleitstrukturen in das PCM kann dieser Nachteil kompensiert werden.

Dreidimensionale Drahtstrukturen für optimale Wärmeleitung

Neuartige 3D-Drahtstrukturen aus gut Wärme leitenden Metallen (Aluminium, Kupfer) sind für diesen Zweck besonders geeignet, da sich deren Wärmeleitfähigkeit maßschneidern lässt und die des reinen PCM dann um ein Vielfaches übersteigt. Damit ist es möglich, die Leistungsdichte des Speichermoduls in weiten Grenzen zu variieren. Die erste Abbildung zeigt beispielhaft ein CAD-Modell für eine mögliche Demonstrator-Konfiguration. Die hier erzielbare, dauerhaft wärmeschlüssige Verbindung zur Wand des Wärmeträgerkanals sowie die gute Zugänglichkeit des Speicherraums für antikorrosive Beschichtungen aufgrund des regelhaften Aufbaus kann unmittelbar aus dem Modell abgeleitet werden. Die beiden folgenden Abbildungen zeigen das zentrale Element der hier zu entwickelnden Speichermodule und Demonstratoren: eine zwischen zwei Deckplatten eingelötete 3D-Drahtstruktur sowie verschiedene Muster des Drahtgeflechts.

Durch die Kombination der Wärmeleitstruktur mit dem passenden Phasenwechselmaterial lassen sich maßgeschneiderte Speicherlösungen für den jeweils gewünschten Leistungs- und Temperaturbereich entwickeln.

Mehr zum Projekt

Modulare PCM-Speicher mit hoher Leistungsdichte auf Basis von 3D-Drahtstrukturen - MOSPEDRA

Projektbeteiligte:

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Dresden

WäTaS - Wärmetauscher Sachsen GmbH

KIESELSTEIN GmbH

SAXOBRAZE GmbH

Nehlsen-BWB Flugzeug-Galvanik Dresden GmbH & Co. KG

Laufzeit:

2014-2017

Förderkennzeichen:

03ESP346

Forschungsförderung

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