MINAKRIP - Keimbildung und Kristallisation bei mikroverkapselten und nanoemulgierten PCM

Laufzeit: 10/2018 - 09/2022
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: ZAE Bayern
Projektfokus:
Thermografie Analyse Unterkühlungsverhalten
© Fraunhofer ISE
Thermografie zur schnellen Analyse von Unterkühlungsverhalten.
Molekulardynamische Simulation des Kristallisationsvorgangs von Octadecan
© Fraunhofer ISE
Molekulardynamische Simulation des Kristallisationsvorgangs von Octadecan.

Der Einsatz von Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) ist ein vielversprechender Ansatz um Wärme bei geringen Temperaturdifferenzen zu speichern. Oft zeigen PCM jedoch eine Unterkühlung, durch die diese Materialien deutlich tiefer als die Schmelztemperatur gekühlt werden müssen um die im Schmelzprozess gespeicherte Wärme wieder freizusetzen. Durch diesen Effekt sinkt die Speicherdichte und Wirtschaftlichkeit von PCM gegenüber klassischen, sensiblen Wärmespeichermedien. Deshalb ist eine fundierte Kenntnis der Unterkühlungs- und Keimbildungsprozesse grundlegend um effiziente PCM-Speicher zu entwickeln und diese Technologie wirtschaftlich anzuwenden.

 

Bei der Entwicklung von Phasenwechselmaterialien und ihrer Anwendung tritt immer wieder der Effekt der Unterkühlung auf. Unterkühlung heißt, dass das PCM beim Abkühlen aus der flüssigen Phase nicht bei der Schmelztemperatur kristallisiert, sondern zunächst weiter flüssig bleibt. Dieser unterkühlte Zustand ist metastabil. Beim weiteren Abkühlen kommt es bei der sogenannten Nukleationstemperatur zur Keimbildung und die Kristallisation der unterkühlten Schmelze wird initiiert. Bei den meisten Anwendungen führt dieser Effekt mindestens zu einer deutlichen Erhöhung der Temperaturdifferenz, oft sogar zur Unbrauchbarkeit des Materials, da die benötigte Nukleationtemperatur in der Anwendung nicht unterschritten wird. Durch die Unterkühlung und der damit verbunden hohen Temperaturdifferenz zwischen Schmelzen und Nukleation des Materials wird die Speicherdichte gegenüber sensiblen Speichermedien und damit die Wirtschaftlichkeit der PCM verringert. Daher ist der Effekt der Unterkühlung eines der wesentlichen Hindernisse auf dem Weg zu einem breiteren Einsatz von PCM.

Organische PCM zeigen grundsätzlich eine geringe Neigung zur Unterkühlung. Allerdings tritt Unterkühlung dennoch massiv auf, wenn das PCM mikroverkapselt oder emulgiert wird. Die Suche nach wirksamen Keimbildnern ist zum Großteil noch ein rein empirischer Prozess, bei dem überwiegend der Zufall und die Erfahrung bzw. das Glück des Experimentators eine Rolle spielt und sehr zeitintensiv ist.

Deshalb ist das Ziel des Vorhabens, eine bessere Kenntnis der Keimbildungsprozesse bei mikroverkapselten und emulgierten PCM zu erlangen, um in Zukunft gezielt mögliche Keimmaterialien auswählen zu können und so Entwicklungsprozesse zu beschleunigen sowie die Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit dieser PCM-Technologie zu erhöhen.  

Im Projekt wird das Kristallisationsverhalten von höher schmelzenden Paraffinen, langkettigen Alkoholen und Fettsäuren untersucht. Hierzu werden diese Materialien emulgiert oder mikroverkapselt. Das Kristallisationsverhalten wird mit kalorischen Methoden und Röntgenbeugung untersucht. Ziel ist Informationen über die Phasenübergänge und Kristallstallformen bei der Verwendung verschiedener Keimmaterialien zu erlangen.

Weiterhin kommen moleküldynamische Simulationen zum Einsatz, um die Wechselwirkung zwischen Keim und PCM auf molekularer Ebene zu analysieren.