Wärme- und Kältespeicher

Das Fraunhofer ISE legt einen Schwerpunkt auf die Entwicklung von neuen Materialien zur sensiblen und latenten Wärme- und Kältespeicherung und verfügt hierzu über eine umfangreiche FuE-Infrastruktur sowie langjährige Erfahrung. Ziel unserer Forschung ist insbesondere die Erhöhung der Speicherdichte und Langzeitstabilität der Speichermaterialien. Darüber hinaus analysieren wir die Interaktionen zwischen Füllkörpern, Wärmeübertragerfluid und Tank- oder Kapselmaterialien. Neben den sensiblen und latenten Wärmespeichermaterialien entwickeln und optimieren wir auch Sorptionsmaterialien.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Materialscreening von Wärmespeicher- und Dämm-Materialien
• Charakterisierung der thermophysikalischen Stoffeigenschaften wie der spezifischen Wärmekapazität, Schmelzwärme und Phasenübergangstemperaturen, Reaktionsenthalpie von Sorptionsmaterialien, Viskosität, Dichte, Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit
• Untersuchung der thermischen Stabilität, des Flammpunkts und der chemischen Zusammensetzung
• Untersuchung von Ausgasung und Gasatmosphären im Speicher
• Tests zur Langzeitstabilität und Kompatibilität von Speichermaterialien, Füllkörpern, Arbeitsfluid und Speicherkomponenten
• Entwicklung von Rezepturen zur Herstellung von PCM-Emulsionen (PCM-Slurries) im Liter-Maßstab und Upscaling der Herstellung bis in den Kubikmeter-Maßstab
• Bestimmung der Kristallstruktur (XRD), Phasenanalyse und Umwandlung von Sorptionsmaterialien
• Thermische Stabilisierung von PCM
• Prüfung und Charakterisierung von PCM und PCM-Verbundmaterialien für das Gütesiegel RAL-PCM

Über besonders breite Kompetenz verfügt das Fraunhofer ISE bei der Entwicklung von PCM-Slurries. Dies sind Hochleistungswärmeträger-Flüssigkeiten, die es durch die hohe Wärmekapazität des Fluids ermöglichen, das erforderliche Speichervolumen zu reduzieren. Hierbei dispergieren wir organische PCM in Wasser oder Wasserglykolmischungen und stellen dadurch eine Wärmeträgerflüssigkeit her, die im Schmelzbereich des PCMs eine bis zu vierfache Speicherdichte gegenüber Wasser aufweist. Darüber hinaus arbeiten wir an Öl-Wasser-Emulsionen für Temperaturbereiche unter 0 °C.

Wir entwickeln Verbundmaterialien für die Anwendung im Gebäudebereich aber auch für technische Anwendungen, z.B. zur Batterie- und Elektronikkühlung. Mikroverkapseltes PCM kann im Verbundmaterial fein verteilt sowie eine große Oberfläche zwischen Verbundmaterial und PCM erzeugt werden, was einer schnellen Be- und Entladung dienlich ist.

Im Bereich der Hochtemperaturspeicher besitzen wir langjährige Erfahrung bei der Entwicklung von sensiblen Salzschmelzespeichern auf Basis von Nitrat-Salzen, die in großtechnischem Maßstab in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt werden. Darüber hinaus unterstützen wir Projektpartnerinnen und -partner bei der Entwicklung von Speichern auf Basis von Wasser, Thermalöl, Metalllegierungen und keramischen Festkörpern.

Die verschiedenen Speichertechnologien vermessen und bewerten wir in unseren Laboren und Außentestgeländen um Freiburg oder in Demonstrationsanlagen direkt in der Anwendung.

Das Fraunhofer ISE entwickelt Komponenten zur effizienten Nutzung von thermischen Speichermaterialien. Besonders die Einbindung der Phasenwechselmaterialien (PCM) in ein Wärme- und Kältespeichersystem ist eine FuE-Herausforderung. PCM haben prinzipiell eine geringe Wärmeleitfähigkeit, die die Leistung von Speichersystemen deutlich begrenzt. Diese Limitierung gilt es z.B. durch geeignete Wärmeübertrager oder Verkapselungen zu überwinden. Eine weitere Aufgabenstellung ist die Reduzierung von Wärmeverlusten. 

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Entwicklung von Wärmeübertragersystemen und Speicherkonzepten
• Entwicklung von Makroverkapselungen für PCM
• Einbindung von PCM in Speicher, die Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit nutzen
• Einbindung in Luft-Systeme zur Klimatisierung von Gebäuden
• Entwicklung von Beladevorrichtungen, z.B. Diffusoren
• Thermische, strömungstechnische und mechanische Simulationen zur Optimierung von Komponenten
• Entwicklung von Stoff- und Wärmeübertragern für Sorptionsspeicher
• Entwicklung und Tests von Komponenten: Ventile, Pumpen, Heizer, Kühler, Sensorik

Zur Untersuchung neuer Wärmeübertragerlösungen nutzen wir verschiedene Teststände, für die Leistungscharakterisierung im Temperaturbereich von -30 °C bis 700 °C. Für Speicherbehälter entwickeln wir Methoden und Komponenten zur optimalen Ein- bzw. Ausspeicherung von Wärme. Wir entwickeln hierfür Beladevorrichtungen wie Diffusoren zur effizienten Beladung mit optimierter Temperaturschichtung. Zudem setzt das Fraunhofer ISE Simulationswerkzeuge wie »Comsol Multiphysics« oder »Modelica« ein, .um z.B. Wärmeübertragerstrukturen, Makrokapseln und Anordnungen von Wärmeübertragern im Speichersystem zu optimieren.

Wir dimensionieren sowohl sensible als auch latente Speichersysteme für vielfältige Anwendungen, besonders in Gebäuden oder technischen Applikationen. Dafür nutzen wir u.a. unsere Simulationswerkzeuge »Comsol Multiphysics«, »Modelica« oder »ColSim«. Je nach Anforderung kombinieren wir die verschiedenen Speichertechnologien zu hybriden Systemen und legen so Speichersysteme gezielt auf ein gegebenes Lastprofil aus.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Beantwortung von Konzeptions- und Dimensionierungsfragen in Bezug auf spezifische Bedingungen wie Last- und Wärmebereitstellungsanforderungen
• Speicheroptimierung durch Simulation seiner thermischen und hydraulischen Eigenschaften
• Konzeption von Einzeltank-Schichtspeichern mit und ohne Füllstoffe
• Konzeption von Zwei-Tank-Systemen
• Konzeption von latenten Wärme- und Kältespeichern
• Charakterisierung von Be- und Entladecharakteristiken sowie Wärmeverlusten
• Entwicklung hybrider Speichersysteme

Ziel unserer FuE-Leistung ist es, Wärme- und Kältespeicher optimal in das jeweilige Gesamtsystem einzubinden. Dafür entwickeln wir Konzepte zur hydraulischen Ankopplung und zur Betriebsführung. Wir setzen detaillierte numerische Simulationen ein, die eine objektive Bewertung der Effizienz von Lösungen ermöglichen. Beispiele sind die Einbindung von Speichern in Anlagen fluktuierender erneuerbarer Wärme, z.B. Solarthermie, oder zur Abwärmenutzung und Effizienzsteigerung in der Industrie.

Damit wollen wir dazu beitragen, Energie effizient zu nutzen, den Installations- und Regelungsaufwand zu senken und die Kosten zu reduzieren.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

• Numerische Simulation des Gesamtsystems
• Hydraulische Einbindung des Speichers
• Integration von thermischen Speichern in bestehende Anlagen
• Anpassen von Komponenten aneinander
• Entwicklung von Betriebsführungskonzepten
• Monitoring, Analyse, Bewertung und Optimierung von Speichersystemen
• Fehleranalyse
• Vorrausschauende Wartung
• Lebenszyklus-Analyse
• Identifikation von Potenzialen / Marktanalyse
• Simulation des Speichers im Kontext des Energiesystems

Wir planen und erstellen Monitoringkonzepte zur energetischen Analyse von Speichersystemen und zur Optimierung von Betriebsführungsstrategien. Anhand der erfassten Daten und Nutzerbefragungen bewerten wir die Effizienz von Speicherlösungen, z. B. bei passiven und aktiven Lösungen zur Gebäudekühlung hinsichtlich Komforts und energetischer Effizienz.