KOKAP - Kosteneffiziente Kapseltechnologien für Phasenwechselmaterialien

Laufzeit: 08/2017 - 01/2021
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Rubitherm technologies GmbH; Fraunhofer IVV; Bischof+Klein SE & Co.KG
Projektfokus:
Latentwärmespeicher-Modul
© Fraunhofer ISE
Latentwärmespeicher-Modul
Flexible Folienverpackungen für PCM
© Fraunhofer ISE
Flexible Folienverpackungen für PCM

Latentwärmespeicher können in einem kleinen Temperaturintervall große Energiemengen bei einer hohen Energiedichte speichern, da sie den Phasenwechsel des Materials (PCM – engl. phase change material) nutzen. Die hohen Kosten für Verkapselungen verhindern oft eine wirtschaftliche Anwendung von PCM. Um hohe Speicherleistungen zu erzielen, spielen sowohl die Geometrie als auch die Materialien der PCM-Verkapselung eine Rolle. Im Projekt KOKAP werden Makroverkapselungen aus der Verpackungsindustrie für PCM hinsichtlich ihrer Stabilität und Leistung untersucht, mit dem Ziel zukünftig deutlich kosteneffizienterer Kapselsysteme für Latentwärmespeicher zur Verfügung zu stellen.

 

PCM werden derzeit von verschiedenen Herstellern in gekapselter Form angeboten. Oft werden marktverfügbare Produkte in vergleichsweise kleinen Stückzahlen hergestellt. Dies führt zu hohen Kosten für PCM-Kapseln und Speicher, die aus tausenden dieser Kapseln aufgebaut werden. Oft werden auch großvolumige Kapseln eingesetzt, was in einer vergleichsweise geringen thermischen Leistung resultiert.

Im Rahmen des Projektes werden Verpackungen bzw. Kapseln für PCM, Folienverpackungen, metallische Verpackungen und Kunststoffverpackungen, im cm-Maßstab für die Anwendung als Latentwärmespeicher in Wasser- und Luftsystemen entwickelt und untersucht. Folienverpackungen können als flexible Verpackung die Materialausdehnung der PCM aufnehmen. Die Kombination unterschiedlicher Materialien ermöglicht die Optimierung hinsichtlich der zu verkapselnden PCM. Metallische Verpackungen und Kunststoffverpackungen weisen eine stabile Form auf, wodurch sie einen höheren Schutz gegenüber mechanischer Belastung bieten, sowie durch ihre stabile Form Vorteile beim Stapeln im Speichersystem und hinsichtlich der Durchströmung aufweisen. Metallische Verpackungen besitzen eine hohe Barriere gegenüber der Migration und Diffusion von PCM, Sauerstoff und Wasser und weisen eine hohe Temperaturstabilität sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Nachteilig ist, dass mögliche Verformungen nicht elastisch, sondern plastisch sein können. Darüber hinaus kann Korrosion auftreten, wodurch je nach PCM ein Korrosionsschutz für innen und außen notwendig ist. Kunststoffverpackungen hingegen sind sehr korrosionsstabil und mechanisch belastbarer als die anderen beiden Verpackungsarten. Allerdings könnte hier die Migration von organischen PCM und Wasser durch das Material nachteilig sein, ebenso wie die Temperaturlimitierung des Kunststoffs.

Das Ziel des Projektes ist die Eignung der verschiedenen Verpackungen zu evaluieren und die Potentiale hinsichtlich einer Anpassung bzw. Modifizierung zur stabilen Verkapselung von PCM zu identifizieren.

Für Salzhydrate und Paraffine im Niedertemperaturbereich konnten stabile metallische Verpackungen und auch Kunststoffverpackungen identifiziert werden, die mit etablierten Verfahren der Massenherstellung gefertigt werden und somit den Verpackungspreis gering halten. Im Fokus der abschließenden Arbeiten liegen die Modularisierung der Makrokapseln und die Leistungsbestimmung in einem Speichertank mit einem Volumen bis zu 250 l.