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

Laufzeit: 05/2021 - 04/2023
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: H&R Wax & Specialties GmbH, Hochschule RheinMain, Konvekta AG, IKS Industrielle KühlSysteme GmbH
Projektfokus:   
PCM-Emulsion in einem Behälter
© Fraunhofer ISE
PCM-Emulsion in einem Behälter.
Speicherkapazität und Speichertemperatur von PCM-Emulsionen
© Fraunhofer ISE
Speicherkapazität und Speichertemperatur von PCM-Emulsionen.
Speicherdichte im Vergleich zu Wasser
© Fraunhofer ISE
Speicherdichte im Vergleich zu Wasser

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.

Mikroskopaufnahme einer PCM-Emulsion
© Fraunhofer ISE
Mikroskopaufnahme einer PCM-Emulsion
Prototyp einer flüssiggekühlten Batterie, für die PCM-Emulsionen genutzt werden könnten
© Fraunhofer ISE
Prototyp einer flüssiggekühlten Batterie, für die PCM-Emulsionen genutzt werden könnten.

Im Projekt »Optimus« werden für jede Anwendung (Gebäude, Industrie, Wärmepumpe, Batteriekühlung) passende PCM ausgewählt und entsprechende Rezepturen entwickelt. Wichtiges Ziel dabei ist es, die Emulsion aus PCM und Wasser zu stabilisieren, nicht nur gegenüber Entmischung der Emulsion, sondern auch gegenüber dem Phasenwechsel des PCM sowie gegen die hohen mechanischen Belastungen, die in hydraulischen Kreisen durch Pumpen, Ventile, Wärmeübertrager u.a. Komponenten verursacht werden.

Die Entwicklung der Rezepturen findet zunächst im Maßstab bis etwa 0,5 Liter im Labor statt. Vielversprechende Rezepturen werden dann in mehreren Stufen in Zusammenarbeit mit unserem Partner H&R Wax & Specialties GmbH in den größeren Herstellungsmaßstab überführt. Im Rahmen des Projekts »Optimus« sollen PCM-Emulsionen bis etwa zum 20 m³ Maßstab hergestellt werden, um ihre Leistungsfähigkeit schließlich auch in größeren Speichern, z.B. Kältespeichern zur Gebäudeklimatisierung oder Prozesskühlung am Ende des Projektes zu demonstrieren. 

Weitere Informationen zu diesem Forschungsthema:

Geschäftsfeldthema

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Thermische Speicher für Kraftwerke und Industrie

Geschäftsfeld

Energieeffiziente Gebäude