Prolatent – Innovative Prozesswärmespeicher mit organischen Latentmaterialien

Ziel des Projekts ist die Entwicklung thermischer Energiespeicher auf Basis von Latentmaterialien bzw. Phasenwechselmaterialien (engl. Phase Change Material, PCM) für Prozesswärmesysteme. PCM speichern hohe Energiemengen im Phasenwechsel fest-flüssig bei nahezu konstanter Temperatur. Dies bietet Vorteile, wenn über mehrere Stunden eine geringe Temperaturdifferenz zwichen Be- und Entladung des Speichers gefordert wird. Über 100 °C können diese Speicher im Vergleich zu Wasserspeichern drucklos betrieben werden. Da es im Temperaturbereich zwischen 100 und 220 °C nur eine begrenzte Auswahl an PCM gibt, werden im Projekt neue PCM für diesen Bereich entwickelt. Zur Be- und Entladung dieser PCM mit hoher Leistung wird ein neues Wärmeübertragerkonzept entwickelt.

Zur Definition von Speicheranforderungen werden Anlagen aus dem solaren und konventionellen Prozesswärmebereich auf ihre Eignung für die Nutzung von PCM analysiert. Systemsimulationen dienen zur Entwicklung eines geeigneten Betriebskonzeptes für den Einsatz von PCM-Speichern in ausgewählten Prozesswärmeanlagen. Als Speichermaterialien werden neue PCM in Form von Zuckeralkoholen, langkettigen Paraffinen und Alkoholen, Amiden sowie Polymeren untersucht oder synthetisiert. Durch Modifikationen werden ihre thermischen Eigenschaften verbessert, um sie als Speichermaterialien nutzbar zu machen. Diese Materialien weisen im Vergleich zu anderen PCMs hohe Speicherdichten auf. Parallel wird ein Wärmeübertragerkonzept auf Basis von durchströmbaren Platten für die Be- und Entladung der PCM im Speichertank entwickelt. Hierzu werden Speicher und Wärmeübertrager im Labormaßstab aufgebaut. Verschiedene Anordnungen und hydraulische Verschaltungen der Platten werden experimentell untersucht. Im Anschluss wird ein Demonstrationsspeicher konstruiert und an einem Speicherprüfstand charakterisiert.

Flankiert werden diese Arbeiten durch die Simulation des Speicherkonzeptes. Hierfür werden Modelle für den Wärmeübertrager und den Speicher erstellt und mit Messdaten validiert. Mittels Simulationen wird die Anordnung der Platten und die hydraulische Verschaltung unter Berücksichtigung des thermischen Verhaltens der PCM optimiert.

Hauptarbeiten am Fraunhofer ISE sind die Entwicklung von PCMs und des Wärmeübertragers sowie deren Charakterisierung, die Entwicklung der Simulationsmodelle sowie die Durchführung von Simulationsstudien auf Komponeneten- und auf Systemebene.