Optimus – Entwicklung, Optimierung und Anwendung von PCM-Emulsionen mit hoher thermischer Speicherdichte

Im Projekt »Optimus« entwickeln wir zusammen mit Partnern aus der Industrie neue Emulsionen von Phasenwechselmaterialien (engl. Phase Change Materials PCM) für die Anwendung in Gebäuden, Industrie sowie für Wärmepumpensysteme und zur Batteriekühlung in Kraftfahrzeugen.

Wir nutzen primär Paraffine mit anwendungsspezifischen Schmelztemperaturen, die in Wasser dispergiert bzw. emulgiert werden. Je nach Temperaturbereich werden Speicherdichten erreicht, die etwa 3 bis 4mal höher als von Wasser sind.

Ziel der Entwicklung ist es zum einen eine hohe thermomechanische Stabilität zu erreichen und zum anderen die Herstellung im großen Maßstab. Nach erfolgreicher Entwicklung werden die PCM-Emulsionen in den adressierten Anwendungen demonstriert und im Vergleich zum jeweils genutzten Standardwärmeträgermedium charakterisiert.

PCM-Emulsionen sind Hochleistungswärmeträgerflüssigkeiten und bieten besonders bei geringen Temperaturspreizungen hohe Wärmekapazitäten. Sie werden durch Dispergieren bzw. Emulgieren eines organischen Phasenwechselmaterials (PCM) in Wasser hergestellt. Tenside stabilisieren die im Wasser fein verteilten PCM-Tröpfchen. Unabhängig vom Aggregatszustand des dispergierten PCMs ist die PCM-Emulsion flüssig und kann durch ein hydraulisches Netzt gefördert werden. So können zur Wärmeübertragung in die PCM-Emulsion Standard-Plattenwärmeübertager und vergleichsweise einfache Speicherbehälter zur Be- und Entladung bzw. zur Speicherung genutzt werden, was die Systemkosten gegenüber anderen PCM-Speicherkonzepten reduziert.

Am Fraunhofer ISE nutzen wir primär Paraffine als PCM mit Schmelztemperaturen zwischen 14 °C und 70 °C. Wir dispergieren zwischen 30 und 45 Gew.-% Paraffin in Wasser und erzielen Speicherdichten, die je nach Temperaturspreizung um den Faktor 3 bis 4 höher als von Wasser liegen. Dieser Vorteil ergibt sich besonders für Systeme die innerhalb sehr enger Temperaturintervalle betrieben werden. Gegenüber Speichersystemen, die Wasser als Wärmeträger und Speichermedium nutzen, wird entsprechend eine Reduzierung des Volumens der Speicherbehälter möglich, was besonders bei mobilen Anwendungen Vorteile hinsichtlich des Raumbedarfes sowie des Gewichtes bietet. Aber auch bei der Anwendung im Gebäude entstehen Vorteile durch die Reduzierung der Speichervolumina z.B. bei Kältespeichern.

Im Projekt »Optimus« werden für jede Anwendung (Gebäude, Industrie, Batteriekühlung und Wärmepumpe) passende PCM mit Schmelztemperaturen zwischen 10 und 18 °C, 20 und 28 °C sowie 45 and 55 °C entwickelt.. Bisher werden Stabilitäten von 10.000 thermischen und mechanischen Zyklen erreicht. Aufgrund der Unterkühlung der eingesetzten PCM erreichen wir derzeit Speicherdichten die bis zu 3-mal höher als bei Wasser sind. In weiteren Schritten wird die Rezeptur weiter optimiert, um noch höhere Stabilitäten als auch geringere Unterkühlungen und damit höhere Speicherdichten zu erreichen.

Im Projekt werden bis zu 20 m³ der Emulsionen hergestellt. Hierzu wird in enger Zusammenarbeit  mit unserem Partner H&R Wax & Specialties GmbH die Herstellung der PCM-Emulsionen im großen Maßstab realisiert, um sie auch in größeren Speichern, z.B. Kältespeichern zur Gebäudeklimatisierung oder Prozesskühlung am Ende des Projektes zu demonstrieren.