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Emulsionen für Versorgungssysteme: Neue Fluide als Wärmeträger in der Klima- und Kältetechnologie

EnEff:Wärme - Forschung für energieeffiziente Wärme- und Kältenetze
CryoSol®Plus - Dispersion aus Wasser und Paraffin.

CryoSol®Plus - Dispersion aus Wasser und Paraffin.

© Fraunhofer UMSICHT

Projektsteckbrief

Projektstatus Projektstatus: Phase 3Realisierung
Projektthemen

Projektbeschreibung

Mit PCS Spitzenlasten reduzieren

Die 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 Leistungsspitzen 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 gespeichert 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 Regenerationsmöglichkeit zur Rückkühlung ist, ermöglichen aktiv durchströmte Systeme mit pumpfähigen PCS einen deutlich besseren Wärmeübergang sowie die Nutzung weiterer Kältequellen wie Grundwasser, Kühlaggregat oder Wärmepumpe zur Rückkühlung.
Außerdem können die Fluide die Kapazität bestehender Kältenetze steigern. Verglichen mit Anlagen und Pufferspeichern auf Wasserbasis reicht ein geringeres Speichervolumen. Durch die Speicher wird es bei BHKW und Fernwärmenetzen möglich, Wärmeerzeugung und -verbrauch zu entkoppeln sowie Leistungsspitzen und Abnahmeschwankungen auszugleichen.
Mit dem Einsatz von Phasenwechsel-Flüssigkeiten können Planer und Betreiber die Leistung bestehender Klimaanlagen steigern und neue Anlagen platzsparender konzipieren.

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. Konventionelle Klimasysteme mit Wasser als Wärmeträger benötigen hohe Volumenströme und große Speichervolumen, denn die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf ist normalerweise sehr gering. Durch die Nutzung 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 aufgenommene beziehungsweise freigesetzte latente Wärmemenge die sensible Wärmemenge und erhöht somit die Wärmekapazität des Speichers. Durch die Auswahl des Paraffins kann der für die Anlage passende Temperaturbereich für den Phasenwechsel  eingestellt werden.

Zusammensetzung und Funktion von PCS

PCS 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 hydrophilen Trägerflüssigkeit (i. d. R. Wasser) gehalten. Emulsionen sind mechanisch 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 / Suspension. Sie ermöglichen durch ein besseres Oberflächen-Volumen-Verhältnis schnelleres Be- und Entladen, bewirken beim Erstarren aber auch eine stärkere Unterkühlung (Hysterese), die aber mit Hilfe von Additiven reduziert werden kann.
Wichtig für die Funktion der Anlagen ist, dass die „Aufschlämmung“ sich nicht absetzt und – über Jahrzehnte – stabil und auch nach dem Phasenwechsel 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 Arbeitsschwerpunkt 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 technologische 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.
Forscher optimieren die Eigenschaften der Fluide

Bei Mikrokapsel-PCS haben die Forscher vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE eine Zyklenstabilität von über 20.000 erzielt. Als Ergebnis beschleunigter Alterungsversuche zur Langzeitstabilität der Suspensionen 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 entwickeln: Die vierfache Energiedichte erscheint erreichbar. In Pilotanlagen werden neu entwickelte PCS erprobt, dabei ist eine Langzeitstabilität bis 10.0000 Zyklen angepeilt. Suspensionen und Emulsionen mit Phasenwechselmaterialien werden nach den Tests in Labors und Versuchsanlagen nun in Demonstrationsanlagen eingesetzt. Forscher und Entwickler arbeiten an kostengünstigen PCS für die Praxis, die eine Lebensdauer von 20 Jahren im Gebäudesektor und 30 Jahren im Energiesektor erreichen.

Gemeinsam haben Forscher von Fraunhofer UMSICHT und der RWTH Aachen Simulationsmodelle entwickelt, mit denen komplexe hydraulische Netze mit Phasenwechsel-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.

  • Pressemitteilung des Fraunhofer UMSICHT vom 27.11.2014
  • Fachartikel "Phasenwechselfluide statt Klimaanlagen" in: Energie & Technik, 28.11.2014
  • Zu diesem Projekt gibt es das BINE-Projektinfo 18/2015 "Wärmeverteilung mit PCM-Slurries planen"
  • Zu diesem Projekt gibt es das BINE-Projektinfo 16/2012 "Phasenübergang speichert Wärme"

Zusätzliche Informationen:

Entwicklung von Mikro-PCM-Emulsionen
Fraunhofer UMSICHT
Simulationsmodelle für PCS-Dispersionen
RWTH Aachen, E.ON-ERC, Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik
  • Kapillarrohrmatten ähneln dem Prinzip des menschlichen Nervensystems.
  • Simulationsmodell eines hydraulischen Netzes