Hochleistungs-Wärmespeicher

Motivation und Service

Typische Schritte bei der Entwicklung von Hochleistungs-Wärmespeichern mit maßgeschneiderten Eigenschaften
© Fraunhofer IFAM Dresden

Typische Schritte bei der Entwicklung von Hochleistungs-Wärmespeichern mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Thermische Energiespeicher (Wärme-/Kältespeicher) mit hoher Leistung gewinnen insbesondere zur Erhöhung der Effizienz zyklischer thermischer Prozesse an Bedeutung. Am Fraunhofer IFAM Dresden wird intensiv im Bereich der latenten und sorptiven Wärmespeicher geforscht.

Latente Wärmespeicher nutzen die Schmelzwärme eines Phase Change Materials (PCM) und speichern so Wärme mit hoher Speicherdichte bei moderaten Kosten und nahezu konstanter Temperatur. Sorptive Wärmespeicher nutzen die Bindungswärme einer Adsorption oder einer chemischen Reaktion (thermochemische Speicher).

Das Geschäftsfeld Energie und Thermische Management bietet langjährige  Kompetenzen entlang der gesamten Entwicklungskette dieser innovativen thermischen Speichertechnologien unter Nutzung des hausinternen Werkstoffknowhows (z. B. zellulare Metalle) an:

  1. Konzept – Vor jeder Speicherentwicklung ist es wichtig, das thermische System genau zu analysieren, in das der Speicher integriert werden soll. Danach können geeignete technologische Ansätze ausgewählt werden.
  2. Auslegung – Zur Minimierung der Entwicklungskosten werden vielfältige mathematische Simulationen durchgeführt, um die Abstimmung der Speicherparameter mit den Systemrandbedingungen vorzunehmen und Vorgaben für die Werkstoffentwicklung abzuleiten.
  3. Entwicklung – Gemeinsam mit den Materialwissenschaftlern unseres Hauses werden z. B. Metall-PCM-Verbundwerkstoffe entwickelt und im wärmetechnischen Labor charakterisiert, Fügetechnologien optimiert und prototypische Speicherelemente gefertigt.
  4. Validierung – Im letzten Schritt erfolgt die experimentelle Validierung prototypischer Speicher im Labor und das Upscaling auf die Anwendung.

Metallfaser-PCM-Verbundwerkstoffe

Metallfaser-PCM-Verbundwerkstoffe
© Fraunhofer IFAM Dresden

(1) Fertigungsablauf einer PCM-gefüllten metallischen Hohlkugel (2) Struktureller Aufbau (poröse Schale, Versiegelung), (3) Paraffin-gefüllte, verkupferte metallische Hohlkugeln, (4) Stationäre und dynamische Einsatzszenarien

Der wichtigste Faktor, der die Leistung eines Latentwärmespeichers limitiert, ist die schlechte Wärmeleitfähigkeit der PCM. Metallische Wärmeleitstrukturen im PCM erhöhen die Leistung signifikant bei nur geringen Einbußen an Speicherkapazität. Metallische Faserstrukturen, wie sie am Fraunhofer IFAM Dresden entwickelt werden, sind optimal geeignet aufgrund

• der breiten Auswahl verarbeitbarer Metalle (Alu, Kupfer, Eisen),
• großen Flexibilität hinsichtlich der Porosität (70 bis 95 %),
• hohen Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung,
• geringen Größe der Kavitäten (mm) zur Fixierung der PCM und
• passgenauen Konfektionierbarkeit, die das Einbringen und mechanische Verpressen klassischer Wärmeträgerrohre erlaubt.    

Das Bild zeigt die mechanische Verbindung von Aluminiumfaserringen (1) mit Alurohr und ein auf dieser Basis entwickeltes prototypisches Speicherelement (2) mit aufgeschmolzenem PCM (Paraffin). Diese Technologie lässt sich problemlos auf größere Rohrbündel-Latentwärmespeicher (3) übertragen. Die Kompatibilität von PCM und Metallstruktur muss geprüft werden (Charakterisierung von PCM).

Sowohl prototypische Speicherelemente als auch fertige Demonstratoren können im wärmetechnischen Labor voll automatisiert mit Wasser als Wärmeträger zyklisch be- und entladen und so getestet werden (4). Der im Bild (3) gezeigte Metallfaser-Paraffinspeicher erreichte in komplettierter Form im Test eine Leistungsdichte von 375 kW/m³. 

Metalldraht-PCM-Verbundwerkstoffe

Metalldraht-PCM-Verbundwerkstoffe
© Fraunhofer IFAM Dresden

(1) Kupferdrahtstruktur als Sandwich, (2) Rohrbündel-Metalldraht-Geometrie für einen latenten Prozesswärme-Speicherdemonstrator, (3) Kristallines PCM (Kaliumnitrat, Schmelztemperatur 337 °C), (4) Thermoölbasierte Hochtemperatur-Teststrecke für Latentwärmespeicher (bis 350 °C)

Bei höheren Speichertemperaturen werden typischer Weise Nitratsalze und deren eutektische Mischungen als PCM in Verbindung mit 3D-Metalldraht-Strukturen eingesetzt, da diese aufgrund

• einer großen Auswahl metallischer Werkstoffe,
• einer deutlich korrosionsresistenteren Oberflächenstruktur und
• flexibler Möglichkeiten zum Aufbringen von Korrosionsschutzschichten

besser für die Kombination mit Salz-PCM geeignet sind. Die 3D-Drahtstrukturen werden durch externe Partner entwickelt und gefertigt.

Besonderes Augenmerk wird – auch durch geeignete mathematische Simulationen – auf die optimale Positionierung der Wärmeträgerrohre in der Struktur und deren effektive thermische Kontaktierung mit der Drahtstruktur gelegt (ohne stoffliches Fügen).

Im wärmetechnischen Labor können Speicherdemonstratoren in einer thermoölbasierten Hochtemperatur-Zyklierstrecke mit Temperaturen bis zu 350 °C experimentell validiert werden. Dabei erfolgt die thermische Zyklierung (Be-/Entladen) in einem engen Temperaturbereich um den Schmelzpunkt des PCM und die messtechnische Erfassung aller wärme- und strömungstechnisch relevanten Größen.

PCM-gefüllte metallische Hohlkugeln

PCM-gefüllte metallische Hohlkugeln
© Fraunhofer IFAM Dresden

(1) Aluminiumfaser-Strukturen für Rohrbündel-Latentwärmespeicher, (2) Prototypisches Speicherelement, (3) Rohrbündel-Demonstrator (ohne PCM und Gehäuse), (4) Zyklier-Testanlage für Wärmespeicher bis 100 °C

Alternativ zum Einsatz Wärme leitender Strukturen in PCM kann zur Erreichung hoher Wärmeleistungen auch die Verkapselung in kleinen Strukturen – hier im mm-Bereich (Meso-Verkapselung) – und damit die Realisierung kleiner Wärmetransportwege erfolgen.

Dazu eignen sich die am Fraunhofer IFAM Dresden entwickelten und gefertigten metallischen Hohlkugeln, die mit Durchmessern zwischen 3 und 8 mm verfügbar sind. Wie im Bild gezeigt wird

• eine Styroporkugel mit einer Metallpulver-Binder-Suspension beschichtet und anschließend getrocknet (grün) und gesintert,
• diese Metallhohlkugel durch die poröse Schale mit flüssigem PCM infiltriert, gereinigt und galvanisch versiegelt.

Diese Technologie ist für Paraffine mit Schmelztemperaturen über 40 °C verfügbar, bei anderen organischen PCM sind Korrosionsuntersuchungen erforderlich. Die Be-/Entladedauer liegt im einstelligen Minutenbereich.

Die PCM-gefüllten Kugeln können entweder stationär als eine vom Wärmeträger durchströmte Schüttung oder dynamisch als schwimmende Wärmekapazitäten in einem Wärmeträger eingesetzt werden. Alle diese Einsatzszenarien können im wärmetechnischen Labor getestet werden.

Sorptionsspeicher

Neueste Entwicklungen am Fraunhofer IFAM Dresden beschäftigen sich mit der Nutzung zellularer Metalle für physisorptive thermische Speicher.

Dabei werden Metallfaserstrukturen mit Zeolithen beschichtet, um die enorme innere Oberfläche der Strukturen in Kombination mit deren gutem Wärmeleitvermögen für die Entwicklung von Hochleistungs-Sorptionsspeichern zu nutzen.

Ein anderer Ansatz wird in einem unlängst gestarteten Forschungsprojekt gewählt, in dem zellulare Metallstrukturen mit Metallsalzen beschichtet werden sollen, die mit Wasserdampf während einer Ad-/Desorption unter Bildung/Zersetzung eines Salzhydrates Wärme freisetzen bzw. aufnehmen können.

Die Kollegen der Abteilung Wasserstofftechnologie entwickeln darüber hinaus sog. Wasserstoff-Feststoffspeicher mit maßgeschneiderter Reaktionskinetik, die auch als chemisorptive Wärmespeicher (thermochemische Speicher) einsetzbar sind.