Phasenwechselmaterialien in Baumaterialien und Leitungssystemen

Effiziente Fernwärmenutzung für LowEx-Gebäude4./5.Oktober 2007 in Berlin

Hans-MartinHenningFraunhofer Institut für solare Energiesysteme, Freiburg

Wozu Speicher?

• Fernwärme– Vergleichmäßigung Abnahme auf Verbraucherseite

• Blockheizkraftwerke– Entkopplung von Wärme-Erzeugung und -verbrauch

• Gebäudekühlung– Direkte Nutzung von natürlichen Wärmesenken

• Zeitversetzt: Kühle Nachtluft• Begrenzte Leistung: Erdreich

– Effizienzerhöhung und Vergleichmäßigung bei Verwendung von Kältemaschinen

Vergleich Massivbau-Leichtbau

• Leichtbau schwingt 10K, Massivbau 5K

• Leichtbau verlässt Komfortbereich

-> Kältespeicher spart Energie

Formen der Wärmespeicherung

„latent“„sensibel“

WärmekapazitätWasser 4.19 J/gK0°C -> 80°C = 335J/g

SchmelzwärmeWasser/Eis0°C -> 0°C = 333J/g

Wärme Q

Tem

per

atu

r T

klassischPCM

T m

sensibel

latent

sensibel

Idealisierter Temperaturverlauf

Latentmaterialien

Bauanwendungen

Verschiedene realisierte Anwendungen für PCMs

Historie

• Erhebliche Forschungsaktivitäten (USA, Kanada) zur Bauan-wendung von PCM in den 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts– Direkteinbringung– Makroverkapselte Salze, Paraffine– Patente, aber keine Produkte

• Probleme– Austritt PCM, Störung Stoffeigenschaften– Aufwändige Einbringung– Beschädigungsgefahr– Schlechter Wärmetransport

Mögliche Lösung: Mikroverkapselung

Mikroverkapselung von Paraffinen

Quelle: BASFQuelle: BASF

• Einbringen von Paraffinen in Mikrokapseln (ca. 5-20 μm)• PMMA-Kapselwand (Polymer)• Material beliebig weiterverarbeitbar, z.B. Einbringung in Baustoffe

oder Nutzung als flüssiger Wärmeträger mit hoher Wärmekapazität im Schmelzbereich

• kleine Kapselgröße stellt hohe Wärmeleistung sicher

Konzept PCM-Baustoffe mit Mikrokapseln

Baustoffe mit PCM-Mikrokapseln

• Entwicklungsprojekt • Industriepartner

BASF, caparol, maxit, Sto und Fraunhofer ISE

• 1/1999 - 9/2004• Förderung durch

BMWi (FKZ 0329840 A-D)

• Verschiedene Produkte seit 2004 auf dem Markt

Vergleichsmessungen Zwei identisch ausgestatteteund betriebene Testräume -mit zwei Produktenje ein Jahr vermessen

Ergebnis: - nächtliche Entwärmung

ist wesentlich- bis zu 4 K Differenz

Vergleich mit/ohne PCM

Vergleich mit/ohne PCM

Am Markt verfügbare Produkte

Neubau/RenovationTrockenbauInnenanwendung1,5mm / 30% PCM

Neubau/Renovationflüssige ApplikationInnenanwendungBis 30mm / 20% PCM

NeubauWandmaterialWohnungsbau

SmartBoard™

BASF: micronal

Wassergestützte Systeme

• Nachteile passiver Anwendung– Luft-Wand-Wärmergang limitiert

Speicherfähigkeit– einzige Kältequelle ist Nachtluft

• Lösung– aktiv durchströmte Systeme– verbesserter Wärmeübergang– beliebige Kältequelle anschließbar

• Entwicklungs-Projekt 9/2004 -8/2007– BASF, caparol, maxit, BTU

Cottbus, Fraunhofer ISE– Förderung durch BMWi (FKZ

0327370 F-I, S)

Prinzipschema

• Kühldecke Putz in Kombination mit Kapillarrohrmatten• Fragestellungen

– Schmelzpunkt des PCM– Position/Typ der Kapilarrohrmatten– Regelungskonzepte– mögliche Energieeinsparung

Zusammenfassung PCM-Baustoffe

Was ist möglich

Kühlenergie einsparenKomfort erhöhenAktive und passive SystemeBauprodukte wie Gipsputzeund Platten verfügbarTemperaturreduktion um bis zu 4KBrandklasse B1

Was ist nicht möglich

PCM ist kein Ersatz für Dämmung & SonnenschutzÜberhitzungsschutz durch Außeneinsatz an FassadenAktiv beheizen oder abkühlenBe- und Entfeuchtung der LuftBrandklasse A mit Paraffinen

Weitere Anwendungen und Produkte

• ZAE Bayern: neue PCM Produkte durch Um-mantelungs-technik

• Doerken: Salzhydrate in Makro-kapseln

PCM

ParaffinSalzhydrat

Trägerstruktur[mm]

Polymer-Beschichtung

modifiziertesBaumaterial

Weitere Anwendungen und Produkte

• Imtech:Brüstungs-gerät zur Klimatisierungmit PCM

• Fa. Rubitherm: unterschiedliche Materialien und Systeme (z.B. Platten, Granulat) auf Basis Paraffin und Salze

• Fa. Dupont: „energain“ alu-kaschierte Platte mit Polymer-Paraffin-Matrix

Kein Anspruch auf Vollständigkeit

PCM-Slurry: Speicherdichte (Vgl. Wasser)

30% 150 kJ/kg

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

50% 150 kJ/kg

40% 150 kJ/kg

35% 150 kJ/kg

Ent

halp

ie P

CS

/Ent

halp

ie W

asse

r [-]

Schmelzbereich [K]

Vorteile PCM-Slurry

• Phasenwechsel-Slurries bestehen aus einer Trägerflüssigkeit (i.d.R. Wasser) und einem Material das bei Änderung seines Aggregatzustandes große Wärmemengen aufnehmen oder abgeben kann

PCM pumpbarErhöhung KapazitätSpeichergröße kann (gegenüber PCMin Baustoffen) unabhängig von der zurVerfügung stehenden Raumgrößeskaliert werdenDurch den quasi isothermen Temperatur-verlauf beim Schmelzen der PCM kannWärme nahe der tatsächlichen Anwendungs-temperatur gespeichert werden Vorteilz.B. bei der Kälteerzeugung durch höhereVerdampfertemperaturenFörderung durch BMWi (0327384 A-C)

Grundlagen/Technologien

• „Ice-Slurries“– Suspension aus Wasser und Eis

• Mikroverkapselte Paraffine– Kapselmaterialien: PMMA, Melamin-Harz, Polyurethan, Gelatine/Gummi– Paraffine C14 – C50

• Paraffin Emulsionen– Verschiedene Tenside (Emulgatoren) sind im Einsatz– Trägerflüssigkeit muss hydrophil sein– Paraffine C14 – C50

• Clathrate (Einschlußverbindungen)– CO2 –Wasser, N2 –Wasser, tetra butylammonium bromid (TBAB)-

Wasser

Mikroverkapseltes Paraffin - Merkmale

• Bis etwa 35% (40% bei hoher Viskosität) möglich

• Scherstabilität der Kapsel• Enthalpien etwas geringer

als bei Emulsionen durch Anteil der Kapselwand

• Kosten der Paraffine besonders bei niedrigen Schmelztemperaturen und kleinen Schmelzbereichen (reine Paraffine)

• Kosten der Kapselung• Vermeidung von Unter-

kühlung essentiell

Paraffin Emulsionen – Merkmale

• Bis etwa 40% (50% bei hoher Viskosität) möglich

• Stabilität bei Phasenwechsel ist schwierig

• Enthalpien bei etwa 60 kJ/kg (30%)

• Kosten der Paraffine besonders bei niedrigen Schmelz-temperaturen und kleinen Schmelzbereichen (reine Paraffine) hoch

• Unterkühlung verringert den energetischen Vorteil der PCS

Paraffin Emulsionen

• Beispiel: Druckverlust einer 30% Emulsion im Vergleich zu Wasser

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Diff

eren

zdru

ck [b

ar]

Wasser bei 12°CPCS-Emulsion 20°C Arlypon 1% RT12 30%

Volumenstrom [l/h]

Paraffin Emulsionen

• Beispiel: Kühlen einer Paraffin-Emulsion Schmelzbereich ca. 10-22°C

Anwendungen mikroverkapselter Paraffine

• Bei den Mikrokapsel-Slurries gibt es bislang eine bekannte Anwendung in Japan

Quelle: Inaba, Dept of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, OkayamaUniversity

Weitere mögliche Anwendungen

• Kältespeicher für Anlagen, die natürliche Wärmesenken nutzen

• Zeitliche Verschiebung der in Gebäuden anfallenden Wärme in die Nacht um angeschlossene Kälteerzeuger bei besseren Umgebungsbedingungen zu betreiben

• Peak-Shifting um Netze zu entlasten

• Verkleinerung von Speichern um den Platzbedarf von Anlagen zu minimieren

Zusammenfassung

• Wärmespeicher bzw. Kältespeicher sind eine zentrale Komponente zur Nutzung von Umweltwärmequellen bzw. –senken

• Latentwärmespeicher auf der Basis von PCM sind insbesondere dann von Interesse, wenn ein enger Temperaturbereich von Interesse ist– Kälte– Raumklimatisierung– Bereitschaftsteil von Wärmespeichern

• Baustoffe mit PCM in unterschiedlichen Produkten am Markt verfügbar

• Wärmeträgerflüssigkeiten mit PCM (PC-Slurry) in der Entwicklung– Aussichtsreich als fließfähiges Speichermaterial– Erhöhung der Kapazität vorhandener Kältenetze