Charakterisierung eines Latent­wärme­speichers zur Wärme­speicherung

Phasenwechsel­materialien (PCM)

REM-Aufnahme von Paraffin-Mikrokapseln für die Anwendung in Gebäuden, insbesondere bei der Speicherung von Kälte zur Klimatisierung aber auch Anwendungen im industriellen und mobilen Bereich.

Phasenwechsel-Slurry Speicheranlage

Anlage mit 5 m³ Speicher (links) und der Übergabestation (rechts), installiert bei der Imtech Deutschland GmbH & Co. KG.

Latenwärmespeicher-Lanege

Latentwärmespeicher als Kältespeicher mit makroverkapselten PCM zur Klimatisierung von Gebäuden.

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

Veröffentlichungen

 

YearTitle/AuthorDocument Type
2020The environmental potential of Phase Change Materials in building applications. A multiple case investigation based on Life Cycle Assessment and building simulation
Di Bari, R.; Horn, R.; Nienborg, B.; Klinker, F.; Kieseritzky, E.; Pawelz, F.
Journal Article
2020Experimentally 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.
Journal Article
2020Investigation of Wire Structures for Heat Transfer Enhancement in Compact Heat Exchangers
Fugmann, Hannes; Frohnapfel, Bettina (Referent); Schnabel, Lena (Betreuer)
Dissertation
2020A 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.
Journal Article
2020Tunable LiCl@UiO-66 Composite for Water Sorption-based Heat Transformation Applications
Sun, Y.; Spieß, A.; Jansen, C.; Nuhnen, A.; Gökpinar, S.; Wiedey, R.; Ernst, S.-J.; Janiak, C.
Journal Article
2019Adsorption dynamics of MOF coatings for waste heat driven cooling
Laurenz, E.; Velte, A.; Kummer, H.; Füldner, G.; Schnabel, L.
Conference Paper
2019Development and Characterisation of Advanced Materials for Heat Transformation Applications
Ernst, Sebastian-Johannes; Bart, Hans-Jörg (Referent); Henning, Hans-Martin (Referent)
Dissertation
2019Development of adsorbent coatings on thermal conductive structures for adsorption processes
Bendix, Phillip; Henning, Hans-Martin (Referent); Janiak, Christoph (Referent); Henninger, Stefan (Betreuer)
Dissertation
2019Evaluation of the Influence of User Behavior on PCM Systems in Buildings and Real Long Term Stability after up to 15 Years in Operation: Presentation at Eurotherm Seminar 112 Advances in Thermal Energy Storage, Lleida, Spain, 15.05.2019 - 17.05.2019
Obergfell, T.; Haussmann, T.; Geschwander, S.
Presentation
2019Iridium oxide catalyst for hybrid electrochromic device based on tetramethylthiourea (TMTU) redox electrolyte
Bogati, S.; Basnet, R.; Georg, A.
Journal Article
2019Review of in situ Test Methods for Solar Thermal Installations
Fahr, S.; Tschopp, D.; Nielsen, J.E.; Kramer, K.; Ohnewein, P.
Conference Paper
2019Thermal stability enhancement of D-mannitol for latent heat storage applications
Neumann, H.; Burger, D.; Taftanazi, Y.; Alferez Luna, M.P.; Haussmann, T.; Hagelstein, G.; Gschwander, S.
Journal Article
2019Untersuchung zum Kristallisationsverhalten in n-Octadecan-Wasser-Dispersionen
Hagelstein, Georg; Henning, Hans-Martin (Referent); Bartsch, Eckhard (Referent)
Dissertation
2018Closed Adsorption Heat Storage - A Life Cycle Assessment on Material and Component Levels
Nienborg, B.; Helling, T.; Fröhlich, D.; Horn, R.; Munz, G.; Schossig, P.
Journal Article
2018Clustering the Occupant Behavior in Residential Buildings: A Method Comparison
Carbonare, N.; Pflug, T.; Wagner, A.
Conference Paper
2018Cycling stability of D-mannitol when used as phase change material for thermal storage applications
Neumann, H.; Niedermaier, S.; Gschwander, S.; Schossig, P.
Journal Article
2018Development of highly efficient, glazed PVT collectors with overheating protection to increase reliability and enhance energy yields
Lämmle, M.; Hermann, M.; Kramer, K.; Panzer, C.; Piekarczyk, A.; Thoma, C.; Fahr, S.
Journal Article
2018Life Cycle Assessment of Thermal Energy Storage Materials and Components
Nienborg, B.; Gschwander, S.; Munz, G.; Fröhlich, D.; Helling, T.; Horn, R.; Weinläder, H.; Klinker, F.; Schossig, P.
Journal Article
2018Thermal stability enhancement of D-Mannitol for latent heat storage applications
Burger, D.; Neumann, H.; Taftanazi, Y.; Haussmann, T.; Hagelstein, G.; Gschwander, S.
Conference Paper
2018Thermal stability enhancement of D-mannitol for latent heat storage applications: Presentation held at 14th International Conference on Energy Storage, EnerStock 2018, Adana, Turkey, 25-28 April 2018
Burger, D.; Neumann, H.; Taftanazi, Y.; Haussmann, T.; Hagelstein, G.; Gschwander, S.
Presentation
2017Empirical equation to estimate viscosity of paraffin
Ferrer, G.; Gschwander, S.; Solé, A.; Barreneche, C.; Fernandez, A.I.; Schossig, P.; Cabeza, L.F.
Journal Article
2017Gebäude mit überwiegend solarer Energieversorgung: Vortrag gehalten bei den Berliner Energietagen, Berlin, Germany, 03.-05. Mai 2017
Kramer, W.; Drück, H.; Steinweg, J.
Presentation
2017Reduction of supercooling in paraffin phase change slurry by polyvinyl alcohol
Hagelstein, G.; Gschwander, S.
Journal Article
2017Solare Energieversorgungskonzepte für Wohngebäude - Messtechnischen Analysen zum Betriebsverhalten und Bewertungsverfahren für die Strom- und Wärmeversorgung: Zusammenfassung
Oliva, A.; Bestenlehner, D.; Drück, H.; Bockelmann, F.; Peter, M.
Conference Paper
2017Solare Wärmeversorgung von Quartieren: Vortrag gehalten bei den Berliner Energietagen, Berlin, Germany, 03.-05. Mai 2017
Scholte, C.; Kramer, W.; Bestenlehner, D.; Orozaliev, J.
Presentation
2016Assessment of thermodynamic equilibrium properties of salt hydrates for heat transformation applications at different temperature levels
Laurenz, E.; Füldner, G.; Schnabel, L.
Abstract
2016Comparison of the future residual load in fifteen countries and requirements to grid-supportive building operation
Klein, K.; Killinger, S.; Fischer, D.; Streuling, C.; Salom, J.; Cubi, E.
Conference Paper
2016Nucleation of PCMs in confined geometries
Hagelstein, G.; Gschwander, S.
Conference Paper
2016Numerical study on load shifting strategies for the heating and cooling of an office building considering variable grid conditions
Klein, K.; Kalz, D.; Herkel, S.
Conference Paper
2016Untersuchung 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: Akronym "HeizSolar", Laufzeit des Vorhabens: 01.09.2010 bis 31.08.2015
Oliva, A.; Stryi-Hipp, G.; Kobelt, S.; Bestenlehner, D.; Drück, H.; Müller, M.; Bühl, J.; Dasch, G.; Kerschl, C.
Report
2015High-yield, fluoride-free and large-scale synthesis of MIL-101(Cr)
Zhao, T.; Jeremias, F.; Boldog, I.; Nguyen, B.; Henninger, S.K.; Janiak, C.
Journal Article
2015Unconventional experimental technologies available for phase change materials (PCM) characterization. Pt.1. Thermophysical properties
Cabeza, L.F.; Barreneche, C.; Martorell, I.; Miro, L.; Sari-Bey, S.; Fois, M.; Paksoy, H.O.; Sahan, N.; Weber, R.; Constantinescu, M.; Anghel, E.M.; Malikova, M.; Krupa, I.; Delgado, M.; Dolado, P.; Furmanski, P.; Jaworski, M.; Haussmann, T.; Gschwander, S.; Fernandez, A.I.
Journal Article
2015Unconventional experimental technologies used for phase change materials (PCM) characterization. Pt.2 - morphological and structural characterization, physico-chemical stability and mechanical properties
Fernandez, A.I.; Sole, A.; Giro-Paloma, J.; Martinez, M.; Hadjieva, M.; Boudenne, A.; Constantinescu, M.; Anghel, E.M.; Malikova, M.; Krupa, I.; Penalosa, C.; Lazaro, A.; Paksoy, H.O.; Cellat, K.; Vecstaudza, J.; Bajare, D.; Sumiga, B.; Boh, B.; Haussmann, T.; Gschwander, S.; Weber, R.; Furmanski, P.; Jaworski, M.; Cabeza, L.F.
Journal Article
2014Advancement of sorption-based heat transformation by a metal coating of highly-stable, hydrophilic aluminium fumarate MOF
Jeremias, F.; Fröhlich, D.; Janiak, C.; Henninger, S.K.
Journal Article
2014Energiesystem Deutschland 2050: Vortrag gehalten auf der Bauphysik-Tagung, 04. November 2014, Düsseldorf
Henning, H.,; Palzer, A.
Presentation
2014Latentwärmespeicher in zentralen Lüftungsanlagen
Haussmann, T.; Heuer, A.; Bauer, S.; Mertes, F.
Conference Paper
2014Multicycle water vapour stability of microporous breathing MOF aluminium isophthalate CAU-10-H
Fröhlich, D.; Henninger, S.K.; Janiak, C.
Journal Article
2014Optimierter Betrieb von KWKK-Systemen mit Speichern - Case Study am Beispiel einer Liegenschaft
Klein, K.; Wahl, A.; Huang, M.; Sonntag, M.; Kalz, D.; Herkel, S.
Conference Paper
2014Stability of sugar alcohols as PCM for thermal energy storage
Solé, A.; Neumann, H.; Niedermaier, S.; Martorell, I.; Schossig, P.; Cabeza, L.F.
Journal Article
2014Water and methanol adsorption on MOFs for cycling heat transformation processes
Jeremias, F.; Fröhlich, D.; Janiak, C.; Henninger, S.K.
Journal Article
2013Application oriented investigation of PCS on thermal and hydraulic properties: Paper presented at the 2nd International Conference on Sustainable Energy Storage, IC-SES 2013; June 19-21, Trintiy College, Dublin, Ireland
Rudolph, J.; Vorbeck, L.; Gschwander, S.; Haussmann, T.; Neumann, H.; Schossig, P.
Presentation
2013Intercomparative tests on phase change materials characterisation with differential scanning calorimeter
Lazaro, A.; Peñalosa, C.; Solé, A.; Diarce, G.; Haussmann, T.; Fois, M.; Zalba, B.; Gshwander, S.; Cabeza, L.F.
Journal Article
2013Pilot application of phase change slurry in a 5 m3 storage
Vorbeck, L.; Gschwander, S.; Thiel, P.; Lüdemann, B.; Schossig, P.
Journal Article
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