Wärme- und Kältespeicher

Im Thema Wärme- und Kältespeicher beschäftigen wir uns mit folgenden Arbeitsgebieten

 

Material­entwicklung

 

Komponenten­entwicklung

 

Speicher­dimensionierung

 

Systemintegration

Über 40 Prozent des Endenergiebedarfs in Deutschland wird für die Bereitstellung von Wärme und Kälte in Gebäuden aufgewendet. Der Verbrauch unterliegt dabei starken saisonalen, tageszeitlichen und wöchentlichen Schwankungen. Daher sind Thermische Speicher eine Schlüsseltechnologie, um eine flexible Bereitstellung von Wärme und Kälte in Gebäuden zu gewährleisten. Durch den Einsatz thermischer und auch elektrischer Speicherlösungen kann die Gewinnung und Nutzung erneuerbarer Energien voneinander entkoppelt werden.

Mit der Energiewende und der größeren Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien steigen die Anforderungen an die Dimensionierung und Steuerung von Versorgungsanlagen in Gebäuden. Zudem wächst durch die Klimaerwärmung der Bedarf an Gebäudekühlung. Gebäudeentwickler, Bauträger größerer Liegenschaften, technische Gebäudeausrüster sowie Komponenten- und Materialhersteller stehen vermehrt vor der Herausforderung, in ihren Gebäuden und Anlagen Wärme und Kälte bedarfsgerecht, kostengünstig und effizient bereit zu stellen.

Das Fraunhofer ISE entwickelt und optimiert Wärme- und Kältespeicher für Wohn- und Bürogebäude sowie für Kraftwerke und industrielle Anwendungen. Im Gebäudesegment beschäftigen wir uns mit Speicherlösungen von 0 bis ca. 100 Grad Celsius, einer Speicherkapazität bis 500 kWh sowie einer Speicherdauer von wenigen Stunden bis mehreren Tagen. Dabei decken wir die gesamte Wertschöpfungskette ab und unterstützen unsere Kunden bei der Auswahl der geeigneten Technologie, der Entwicklung von neuen Materialien und Komponenten, der Optimierung von Speichersystemen sowie bei Analyse, Monitoring und Betriebsoptimierung.

Das Fraunhofer ISE erforscht und entwickelt Lösungen für verschiedene Speichertechnologien:

Latentwärmespeicher

Latentwärmespeicher verändern beim Lade- und Endladevorgang ihre Temperatur nicht. Zur Speicherung wird die Änderung des Aggregatzustands genutzt (Phasenwechselmaterial, PCM). Im Falle eines Phasenübergangs fest-flüssig entspricht die latente Wärme der Schmelz- oder Kristallisationswärme des Speichermaterials. In einem definierten, engen Temperaturbereich bieten Phasenwechselmaterialien deutlich höhere Speicherdichten als herkömmliche sensible Speichermaterialien. Latentwärmespeicher können in vielen Anwendungen in Gebäuden und in der Industrie zum Einsatz kommen. Sie sind auch sehr gut für die Temperaturpufferung von Batterien, elektronischen Bauteilen oder Haushaltsgeräten geeignet. Die Entwicklung, Charakterisierung und Auswahl geeigneter Phasenwechselmaterialien sowie die Erforschung effizienter Methoden zur Wärmeübertragung stehen im Mittelpunkt der Aktivitäten des Fraunhofer ISE.

Sensible Speicher/Wasserspeicher

Sensible Wärmespeicherung mit Wasser als Wärmeträgermedium wird in Gebäuden für die Trinkwassererwärmung und Raumheizung bereits in großem Stil eingesetzt, z. B. als dezentrale Speicher in der Wohnung oder als zentrale Speichersysteme für Gebäuden und Liegenschaften, bis hin zu Wohngebieten. Die Zufuhr und Entnahme thermischer Energie äußert sich bei diesen Speichersystemen fühlbar (sensibel) durch eine Änderung der Temperatur. Wasser ist dabei als Wärmeträgermedium sehr gut geeignet, weil es eine vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität aufweist, breit verfügbar und unproblematisch für die Umwelt ist. Dennoch bestehen FuE-Fragestellungen, z.B. in Bezug auf die Verringerung von Wärmeverlusten durch bessere Dämmung oder die Entwicklung optimierter Belade- und Entladevorrichtungen.

Sorptionsspeicher

Sorptionsspeicher sind Wärmespeicher, die auf der physikalischen Wechselwirkung zwischen zwei Stoffen, dem Sorbent und dem Sorbat, beruhen. Häufig wird die Anlagerung von Gasen an porösen Materialien (Adsorption) wie Silikagele, Zeolithe oder Metallorganischen Gerüstmaterialien (engl. Metal Organic Framework, MOF) genutzt, aber auch die Absorption eines Gases in einer Flüssigkeit findet Anwendung. Bei thermochemischen Speichern wird die chemische Bindung zwischen zwei Stoffen zur Wärmespeicherung genutzt. Beispiel hierfür ist die Hydratation (Wasseranbindung) von Salzen wie CaCl2, MgCl2 oder MgSO4. Beide Konzepte bieten eine quasi verlustfreie Möglichkeit Wärme zu speichern. Im Vergleich zu sensiblen Speichern bieten Sorptions- und thermochemische Speicher höhere Speicherdichten. Im Gebäudebereich kommen sie z. B. in Klima- und Lüftungsanlagen zum Einsatz. Allerdings sind bei ihrem Einsatz komplexere Systeme und tendenziell höhere Investitionskosten im Vergleich zu rein sensiblen Speichern notwendig. Daher ist eine umfassende Analyse des Systems, der Randbedingungen, des Materials, des Reaktordesigns und damit der Wärmegestehungskosten unabdingbar, um die Vor- und Nachteile verschiedener Speicherlösungen zu ermitteln.

Ausgewählte Forschungsprojekte

 

MINAKRIP

Keimbildung und Kristallisation bei mikroverkapselten und nanoemulgierten PCM

 

KOKAP

Kosteneffiziente Kapseltechnologien für Phasenwechselmaterialien

 

Thermogewebe

Technologische Gestaltung und thermofluid­dynamische Cha­rak­te­ri­sie­rung von draht­gewebe­basierten Mikrowärme­übertragern mit hohem Leistungs­potential

 

Rural-Li

Robuste Lithiumbatteriesysteme für den Einsatz in PV-Inselanlagen kleinerer Leistung

Stefan Gschwander

Contact Press / Media

Stefan Gschwander

Wärme- und Kältespeicher

Fraunhofer ISE
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

Telefon +49 761 4588-5494

Aktuelle Veröffentlichungen zum Thema Wärme- und Kältespeicher:

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2022 PCM Products and their Fields of Application - an Overview of the State in 2020/2021
Mehling, H.; Brütting, M.; Haussmann, T.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Zeolite NaY-Copper Composites Produced by Sintering Processes for Adsorption Heat Transformation
Velte, Andreas; Weise, Jörg; Laurenz, Eric; Baumeister, Joachim; Füldner, Gerrit
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Enhancing the Flexibility of Electricity Generation and Heating for Kizildere II Geothermal Power Plant by Demonstrating Heat Storage Systems
Sahiller, H.A.; Halaçoglu, U.; Sengün, R.; Pekdüz, I.; Rougé, S.; Ghanatos, E.; Pouvreau, J.; Valdimarsson, P.; Gamisch, S.; Alferez Luna, M.P.; Paul, S.; Sabard, A.; Fanicchia, F.; Ediger, V.; Kirkil, G.; Baudouin, E.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Long-term Functionality of a Passive Phase-change Materials Building Application after more than a Decade of Operation
Obergfell, T.; Solano Guzmán, J.; Haussmann, T.; Gschwander, S.; Wagner, A.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Reduction of Rotation Phase Supercooling in N-Docosanol Nano Phase Change Slurries
Kick, M.; Gschwander, S.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2021 Storage capacity in dependency of supercooling and cycle stability of different PCM emulsions
Gschwander, S.; Niedermaier, S.; Gamisch, S.; Kick, M.; Klünder, F.; Haussmann, T.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Comparison of RC-model and FEM-model for a PCM-plate storage including free convection
Neumann, H.; Gamisch, S.; Gschwander, S.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Adsorber heat exchanger using Al-fumarate beads for heat-pump applications - a transport study
Farrusseng, D.; Daniel, C.; Hamill, C.; Casaban, J.; Didriksen, T.; Blom, R.; Velte, A.; Füldner, G.; Gantenbein, P.; Persdorf, P.; Daguenet-Frick, X.; Meunier, F.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Numerical and Experimental Investigation of Wire Cloth Heat Exchanger for Latent Heat Storages
Gamisch, S.; Gschwander, S.; Ruptisch, S.J.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Experimentally measured thermal masses of adsorption heat exchangers
Gluesenkamp, K.R.; Frazzica, A.; Velte, A.; Metcalf, S.; Yang, Z.; Rouhani, M.; Blackman, C.; Qu, M.; Laurenz, E.; Rivero-Pacho, A.; Hinmers, S.; Critoph, R.; Bahrami, M.; Füldner, G.; Hallin, I.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Solarthermiekosten senken
Kramer, W.; Keuper, A.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Capillary-assisted evaporation of water from finned tubes - Impacts of experimental setups and dynamics
Seiler, J.; Volmer, R.; Krakau, D.; Pöhls, J.; Ossenkopp, F.; Schnabel, L.; Bardow, A.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Metal-Organic Frameworks as Sorption Materials for Heat Transformation Processes
Steinert, D.M.; Ernst, S.-J.; Henninger, S.; Janiak, C.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Campusweites Kältenetz für Höhere Effizienz und Netzdienlichkeit
Nienborg, B.; Notheis, M.; Kurzlechner, P.; Seiz, J.; Engelmann, P.
Vortrag
Presentation
2020 Unravelling the water adsorption in a robust iron carboxylate metal-organic framework
Lenzen, D.; Eggebrecht, J.G.; Mileo, P.G.M.; Fröhlich, D.; Henninger, S.; Atzori, C.; Bonino, F.; Lieb, A.; Maurin, G.; Stock, N.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 A Novel Approach for the Determination of Sorption Equilibria and Sorption Enthalpy Used for MOF Aluminium Fumarate with Water
Laurenz, E.; Füldner, G.; Schnabel, L.; Schmitz, G.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 Effizientere solarthermische Heizungsanlagen durch Künstliche Intelligenz (KI)
Kramer, W.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Adsorption dynamics of MOF coatings for waste heat driven cooling
Laurenz, E.; Velte, A.; Kummer, H.; Füldner, G.; Schnabel, L.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2019 Künstliche Intelligenz regelt Heizungsanlagen effizienter
Kramer, W.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 Heizen mit künstlicher Intelligenz
Kramer, W.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 Estimations of energy density and storage efficiency for cascading adsorption heat storage concepts
Treier, M.S.; Munz, G.; Velte, A.; Henninger, S.K.; Schmidt, F.P.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2016 Untersuchung und simulationstechnische Optimierung von Wärmeversorgungskonzepten für Wohngebäude, deren Gesamtwärmebedarf zu 50 % bis 100 % mit Solarwärme gedeckt wird und Vergleich mit anderen CO2-reduzierten Wärmeversorgungskonzepten. Schlussbericht zum Verbundvorhaben
Oliva, A.; Stryi-Hipp, G.; Kobelt, S.; Bestenlehner, D.; Drück, H.; Müller, M.; Bühl, J.; Dasch, G.; Kerschl, C.
Bericht
Report
2016 Characterisation and enhancement of phase change slurries
Niedermaier, S.; Biedenbach, M.; Gschwander, S.
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

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