Energieforschung konkret

Projektinfo 16/2012

Phasenübergang speichert WärmeNeue Fluide als Wärmeträger in der Klima- und Kältetechnologie einsetzen

Wenn es darum geht, Wärme vom Heizkessel zur Heizfläche zu transportieren oder Kühldecken mit Kälte zu versorgen, hat sich Wasser als Wärmeträger hervorragend bewährt. Doch für einige Einsatzbereiche bekommt es Konkurrenz: Verschiedene Forschergruppen arbeiten an Wärmeträger-fluiden mit einer mindestens doppelt so hohen Energie-dichte. Fein in Wasser verteilte Latentwärmematerialien, wie zum Beispiel Paraffine, speichern Wärme beim Schmelzen und geben sie beim Erstarren wieder ab.

Das Prinzip ist nicht neu. Schon in den siebziger Jahren entwickelten sowjetische und israelische Forscher Gemische aus fein verteiltem Eis in Glykol oder Ethanol für den Transport von Kälte. Diese sogenannten Ice-Slurries werden auch für die schnelle Kühlung von Lebensmitteln eingesetzt. Sie können ihre Kälteleistung auf einem gleichbleibenden Temperaturniveau um den Gefrierpunkt abgeben, bis das Eis vollständig geschmolzen ist. Hier zeigen sich Vorteil und Nachteil dieses Speicher-prinzips. Einerseits arbeitet das Gemisch genau auf dem geforderten Temperatur-niveau, andererseits ist es aber auch nur in diesem engen Temperaturbereich funk-tionsfähig, in dem der Schmelz- und Erstarrungsprozess durchlaufen wird. Daraus ergeben sich zwei Forschungsschwerpunkte: Es müssen für jeden geforderten Temperaturbereich die geeigneten Materialien entwickelt werden. Diese Stoffe müssen dann fein verteilt in die Transportflüssigkeit eingebracht werden.Die hier vorgestellten Forschungsprojekte arbeiten mit verschiedenen Paraffinen als Latentwärmespeicher. Sie können auf unterschiedliche Weise in die Transport-

Dieses Forschungsprojekt wird gefördert vom:

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)

flüssigkeit eingebracht werden: Emulgiert als wenige Mikrometer kleine (feine) Tröpfchen oder als mikrover-kapselte Kügelchen, deren Durchmesser etwa dem eines Haares entspricht.

Mit PCS Spitzenlasten reduzierenDie neuen Materialien bieten mehrere Vorteile: Sie helfen, Energie beim Kühlen und Klimatisieren von Gebäuden einzusparen und den Komfort für die Nutzer zu verbessern. Die sogenannten Phase Change Slurries (PCS) machen es möglich, Umweltwärmesenken besser zu nutzen und die Kälteerzeugung in die Nacht zu verlagern. Mit dieser Nachtkältespeicherung (Peak-Shifting) kappen sie Leis-tungsspitzen am Tag. Die Kältemaschine kann dann kleiner dimensioniert werden und arbeitet bei den niedrigeren nächtlichen Umgebungstemperaturen effizienter. Da Wärme sehr nahe an der Zieltemperatur des zu kühlenden Gebäudes ge-speichert werden kann, muss die Kältemaschine nicht so stark abkühlen und Kälteverluste in Rohrleitungen und Speicher werden minimiert. Gegenüber passiven Latentwärmespeicher-Systemen, bei denen die Nachtluft in der Regel die einzige Regene-rationsmöglichkeit zur Rückkühlung ist, ermöglichen aktiv durchströmte Systeme mit pumpfähigen PCS einen deut-lich besseren Wärmeübergang sowie die Nutzung weiterer Kältequellen wie Grundwasser, Kühlaggregat oder Wärme-pumpe zur Rückkühlung.Außerdem können die Fluide die Kapazität bestehender Kältenetze steigern. Verglichen mit Anlagen und Puffer-speichern auf Wasserbasis reicht ein geringeres Speicher-volumen. Durch die Speicher wird es bei BHKW und Fernwärmenetzen möglich, Wärmeerzeugung und -ver-brauch zu entkoppeln sowie Leistungsspitzen und Ab-nahmeschwankungen auszugleichen.Mit dem Einsatz von Phasenwechsel-Flüssigkeiten können Planer und Betreiber die Leistung bestehender Klimaan-lagen steigern und neue Anlagen platzsparender konzi-pieren. Speziell bei Systemen mit hohen Leistungskosten, aber geringen Betriebskosten wie Absorptions-Kältemaschinen sowie Wärmepumpen lohnt es sich, überschüssige Energie zu speichern. Je kleiner diese aufgrund eines Puffers dimensioniert werden können, desto größer ist der Einspareffekt.Der Einsatz von PCS ist besonders bei Anwendungen interessant, die nur eine geringe Temperaturspreizung zulassen, wie Gebäudekühlung oder Klimatisierung. Kon-ventionelle Klimasysteme mit Wasser als Wärmeträger benötigen hohe Volumenströme und große Speichervo-lumen, denn die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf ist normalerweise sehr gering. Durch die Nut-zung von Slurries als Kälteträger und Speichermedium wird eine höhere Energiedichte erreicht. Sie eignen sich grundsätzlich für jede Art des Wärmetransports und der Wärmespeicherung in Temperaturbereichen, in denen der Phasenwechsel stattfindet. Sehr wichtig für einen wirtschaftlichen Betrieb ist ein guter Wärmeübergang in das Speichermedium.In der Anlage ergänzt die beim Phasenwechsel aufge-nommene beziehungsweise freigesetzte latente Wär-memenge die sensible Wärmemenge und erhöht somit die Wärmekapazität des Speichers. Durch die Auswahl des Paraffins kann der für die Anlage passende Tempe-raturbereich für den Phasenwechsel eingestellt wer-den.

Zusammensetzung und Funktion von PCSPCS bestehen aus einer Trägerflüssigkeit, in der PCM mikroverkapselt als Suspension bis zu 35 – 40 % oder bis zu 50 % in winzigen Tröpfchen als Emulsion dispergiert sind. Bei Mikrokapseln sind winzige Paraffin-Tropfen in hauchdünne Hüllen aus Plexiglas, Melamin-Harz, Polyurethan, Gummi oder Gelatine eingeschlossen. Bei den Emulsionen werden die Kügelchen durch eine abgestimmte Mischung an Tensiden feinverteilt in einer hydro-philen Trägerflüssigkeit (i. d. R. Wasser) gehalten. Emulsionen sind mecha-nisch belastbarer, mikroverkapselte PCM sind thermisch und im Lager stabiler, haben aber durch die Verkapselung eine etwas geringere Enthalpie. Die Kapsel soll eine möglichst geringe Wandstärke haben, das vergrößert das aktive Volumen. Zugleich muss die Hülle mechanisch stabil sein. Bei PCM-Emulsionen hängt die Stabilität von den beteiligten Stoffen PCM, Emulgator, Keimbildner sowie der Partikelgröße ab. Kleine Partikel sowie eine enge Partikelgrößenverteilung bewirken eine stabilere Emulsion / Sus-pension. Sie ermöglichen durch ein besseres Oberflächen-Volumen-Verhält-nis schnelleres Be- und Entladen, bewirken beim Erstarren aber auch eine stärkere Unterkühlung (Hysterese), die aber mit Hilfe von Additiven redu-ziert werden kann. Wichtig für die Funktion der Anlagen ist, dass die „Aufschlämmung“ sich nicht absetzt und – über Jahrzehnte – stabil und auch nach dem Phasen-

2 BINE-Projektinfo 16/2012

100

80

60

40

20

0

– 204 6 8 10 12 14

spez

. Ent

halp

ie [

kJ/k

g]

Temperatur [°C]

Emulsion 50 %übliche Temperaturspreizung Kälteversorgung

Emulsion 30 % Kaltwasser

30

25

20

15

10

5

0

6

5

4

3

2

1

020

Konzentration PCM [Gew.-%]

Spei

cher

kapa

zitä

t [kW

h/m

3 ]

Visk

ositä

t rel

ativ

zu

Was

ser

25 30 40 *100

PCS relativ zu Wasser * Viskosität im geschmolzenen Zustand

Abb. 2 Der Vorteil gegenüber Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit hängt stark von der Konzentration des PCM in der Trägerflüssigkeit ab. Zu beachten ist, dass mit steigender PCM-Konzentration auch die Viskosität des PCS stark ansteigt. Quelle: Fraunhofer ISE

Abb. 1 Verglichen mit Wasser speichern PCS große Mengen thermischer Energie in verhältnismäßig kleinen Temperaturintervallen. Quelle: Fraunhofer UMSICHT

wechsel des Speichermaterials noch pumpfähig bleibt. Da die Slurries eine höhere Viskosität als Wasser besitzen, wird für das Pumpen mehr Energie benötigt. Die Viskosität steigt mit der Konzentration des Pha sen-wechsel materials sowie dann, wenn dieses sich verfestigt. Ein Arbeits-schwerpunkt der Forscher von Fraunhofer Umsicht ist es, die Fließfähigkeit der Slurries sicherzustellen, damit es nicht zu Ablagerungen in den Leitungen kommt.

Alles in allem sollte der ideale PCS kostengünstig sein und vielfältige techno-logische Anforderungen erfüllen: • hohe Energiespeicherdichte

(incl. sensibler Wärme mögl. über 200 MJ/m3), • hohe thermische und mechanische Stabilität, • geringe Viskosität, • hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis der Partikel

für eine schnelle Be- und Entladung,• möglichst frei einstellbare Phasenwechseltemperatur, • geringe Unterkühlung (Hysterese), • schmales Temperaturfenster des Phasenwechsels (kleiner als 8 K), • ungiftig und chemisch inert.

3BINE-Projektinfo 16/2012

Leis

tung

Bedarf wird aus PCM gedeckt

Peakshift

Kältebedarf Kälteerzeugung

Überschuss wird in PCMgespeichert

Zeit t

30

25

20

15

10

5

0

6

5

4

3

2

1

020

Konzentration PCM [Gew.-%]

Spei

cher

kapa

zitä

t [kW

h/m

3 ]

Visk

ositä

t rel

ativ

zu

Was

ser

25 30 40 *100

PCS relativ zu Wasser * Viskosität im geschmolzenen Zustand

Forscher optimieren die Eigenschaften der FluideBei Mikrokapsel-PCS haben die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE eine Zyklenstabi-lität von über 20.000 erzielt. Als Ergebnis beschleunigter Alterungsversuche zur Langzeitstabilität der Suspensio-nen gehen die Forscher davon aus, dass mindestens eine Lebensdauer von 6 Jahren erreicht wird. Sie arbeiten daran, PCM-Fluide herzustellen, die im Schmelzbereich deutlich höhere Wärmespeicherkapazitäten bieten als Wasser und möglichst genauso einfach in herkömmlichen Anlagen eingesetzt werden können.Für mikroverkapseltes Paraffin haben die Forscher eine Kapazitätssteigerung pro Volumeneinheit gegenüber Wasser um das Zweieinhalbfache nachgewiesen. Mit verschiedenen Forschungspartnern arbeitet die Firma Imtech daran, noch effizientere Materialien zu entwi-ckeln: Die vierfache Energiedichte erscheint erreichbar. In Pilotanlagen werden neu entwickelte PCS erprobt, dabei ist eine Langzeitstabilität bis 10.0000 Zyklen an-gepeilt. Suspensionen und Emulsionen mit Phasen-wechselmaterialien werden nach den Tests in Labors und Versuchsanlagen nun in Demonstrationsanlagen eingesetzt. Forscher und Entwickler arbeiten an kosten-günstigen PCS für die Praxis, die eine Lebensdauer von 20 Jahren im Gebäudesektor und 30 Jahren im Energie-sektor erreichen. Gemeinsam haben Forscher von Fraunhofer UMSICHT und der RWTH Aachen Simulationsmodelle entwickelt, mit denen komplexe hydraulische Netze mit Phasen-wechsel-Materialien dargestellt werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen stellten sie einen PCS her, der mit seinen Eigenschaften den bestmöglichen Kompromiss zwischen Energiedichte und Viskosität erreicht. Darüber hinaus entwickelt Fraunhofer UMSICHT Emulsionen für verschiedenste Anwendungen, wie beispielsweise zur Batterietemperierung im Bereich der Elektromobilität oder als Kältespeichermedium für die solare Kühlung. Das Team der RWTH Aachen hat für den Solar Decathlon 2012 ein Gebäude mit Kühldecken und PCS aufgebaut (siehe Titelbild).

Abb. 3 Nachtkältespeicherung (Peak-Shifting) hilft, Spitzenlasten am Tag abzudecken. Die Kälteerzeugung kann auf Grundlastbetrieb optimiert werden. Quelle: Fraunhofer ISE

Abb. 4 Das Fluid sieht aus wie Sahne: PCS fließt ins Glas. Quelle: Fraunhofer UMSICHT

Klimatisierung von Gebäuden mit regenerativen Energiequellen

Eine Pilotanlage zur Gebäudeklimatisierung in der Hamburger Hafencity verbindet Wärmepumpe, unter-schiedliche Wärmequellen auf niedrigem Temperatur-niveau und einen mit PCS gefüllten Kältespeicher. Der Speicher enthält 30 Gewichtsprozent mikroverkap-seltes Paraffin mit einer Schmelztemperatur zwischen 22 und 28 °C.Das hier eingesetzte Fluid hat eine Wärmespeicherka-pazität von 16 kWh/m³ und kann gegenüber Wasser bei einer vergleichbaren Temperaturspreizung etwa doppelt so viel Wärme einspeichern. Im Labor konnte eine Stabilität über 100.000 Zyklen nachgewiesen werden. Die Anlage wird von Fraunhofer ISE und Imtech detailliert vermessen, um Aufschluss über das Verhalten im realen Betrieb und Hinweise auf Opti-mierungspotenziale zu erhalten.

Konz

ept u

nd G

esta

ltung

: ise

rund

schm

idt G

mbH

, Bon

n –

Ber

lin ·

Layo

ut: K

ERST

IN C

ON

RAD

I Med

ieng

esta

ltung

, Ber

lin

BINE Projektinfo 01/2010

Kontakt · InfoFragen zu diesem Projekt info? Wir helfen Ihnen weiter:

0228 92379-44BINE Informationsdienst Energieforschung für die PraxisEin Service von FIZ Karlsruhe

Kaiserstraße 185-197 53113 Bonn Tel. 0228 92379-0 Fax 0228 92379-29 kontakt@bine.info www.bine.info

4 BINE-Projektinfo 16/2012

Wärmen und Kühlen mit PCMDas Angebot an Phasenwechselmaterialien für den Einsatz in Gebäuden wächst. Erprobt und eingeführt sind PCM-haltige Bauteile in Wänden und Decken sowie PCM-Plattenspeicher in Fassaden-Klimageräten oder Kühldecken. Neben den bisher üblichen verkapselten PCM-Elementen gibt es neuerdings formstabile PCM, die durch chemische oder physikalische Bindung zwischen benachbarten Polymerketten stabil bleiben. Über die Gebäudeklimatisierung hinaus werden für viele unterschiedliche Anwendungs-felder geeignete PCM-Systeme entwickelt. Dafür ist es erforderlich, die Wärme- bzw. Kälteträgermedien passend für die jeweiligen Anforderungen maßzuschneidern. Für Wärme und Kühlung in Industrie und Gewerbe sind ganz andere Temperaturbereiche erforderlich, die dann mit Salzen und Salzhydraten als PCM erreicht werden. Mit solchen Hochtemperatur-PCM kann die Industrie Prozesswärme rationeller einsetzen und zum Beispiel die Abwärme von diskontinuierlichen Produktionsprozessen nutzen. Hochtempe-ratur-PCM speichern solare Wärme und machen es möglich, noch in der Nacht solare Prozesswärme und Strom zu erzeugen; für die energetisch optimale Nutzung ist eine relativ konstante Temperatur der entnommenen Wärme wichtig.Für einen verbreiteten Einsatz von PCS müssen die Preise für Produkte und Materialien noch günstiger werden. Noch behindern hohe Investitionskosten die Ausbreitung von Klimatisierungssystemen mit PCS. Trotz niedriger Betriebskosten haben sie einen schweren Stand gegenüber konkurrierenden oder ergänzenden Speicherverfahren wie Eisspeichern, sensibler Speicherung oder Sorptionsspeichern. Grenzen für den Einsatz von Paraffinen ergeben sich daraus, dass sie brennbar sind und bei Temperaturen über 100 °C die thermische Stabilität verlieren. Ein RAL-Gütezeichen „Phase Change Material“ vereinheitlicht seit 2009 Mess- und Prüfverfahren für PCM, PCM-Verbundmaterialien sowie Systeme. PCS auf Paraffinbasis ermöglichen es, kleine Temperaturdifferenzen effektiv zu nutzen. Sie können im Temperaturbereich von – 20 °C bis + 100 °C Wasser als Transport- und Speichermedium für Kälte bzw. Wärme ablösen. Speziell Wasser-Paraffin-Emulsionen sind technologisch sehr vielversprechend.

ProjektorganisationBundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)11019 Berlin

Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Dr. Carsten Magaß 52425 Jülich

Förderkennzeichen 0327384A-C, 0327427A-B, 0327471A-B

ImpressumISSN0937 - 8367

Herausgeber FIZ Karlsruhe GmbH · Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

AutorGerhard Hirn

TitelbildSolar Decathlon Europe: Aufbau des Wettbewerbsgebäudes der RWTH Aachen

UrheberrechtEine Verwendung von Text und Abbildungen aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung der BINE-Redaktion gestattet. Sprechen Sie uns an.

Projektbeteiligte >> Entwicklung von Mikro-PCM-Emulsionen: Fraunhofer ISE, Freiburg, Stefan Gschwander,

stefan.gschwander@ise.fraunhofer.de>> Entwicklung von Mikro-PCM-Emulsionen: Fraunhofer UMSICHT, Oberhausen,

Dr. Clemens Pollerberg, clemens.pollerberg@umsicht.fraunhofer.de>> Simulationsmodelle für PCS-Dispersionen: Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik,

RWTH Aachen, Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller, dmueller@eonerc.rwth-aachen.de>> Entwicklung von Kältespeichern: Imtech Deutschland GmbH & Co, KG, Hamburg,

Dr.-Ing. Bruno Lüdemann, bruno.luedemann@imtech.de

Links und Literatur>> www.ise.fraunhofer.de | www.umsicht.fraunhofer.de | www.eonerc.rwth-aachen.de |

www.imtech.de www.iolitec.de | www.rubitherm.de | www.sasolwax.com | www.micronal.de>> Latentwärmespeicher in Gebäuden. BINE-Themeninfo I/2009

Mehr vom BINE Informationsdienst>> Dieses Projektinfo gibt es auch online und in englischer Sprache unter www.bine.info

im Bereich Publikationen/Projektinfos. In der Rubrik „Service“ finden Sie ergänzende Informationen wie weitere Projektadressen und Links.

>> BINE Informationsdienst berichtet aus Projekten der Energieforschung in seinen Broschürenreihen und dem Newsletter. Diese erhalten Sie im kostenlosen Abonnement unter www.bine.info/abo