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Rohrgekapselte Latentwärmespeicher

BMWi Innokom-Ost

01/2012-06/2015

Dr. Roland Müller

+49-351-4081-772

abgeschlossene Teilaufgabe

Neuartige Wärmespeicherelemente

Bei Latent-Wärmespeichern, die den Phasenwechsel (Schmelzen/Erstarren) eines Speichermaterials (Phase Change Material = PCM) nutzen, um eine große Wärmemenge in einem engen Temperaturintervall zu speichern, werden die PCM üblicherweise gekapselt. Dies dient einerseits der Erhaltung der Form der Speicherkörper und damit einer stabilen Struktur für die Wärmeübertragung, was bei ungekapselten PCM im geschmolzenen (flüssigen) Zustand nicht gegeben wäre. Andererseits ist die Kapselung wichtig für die Bewahrung der stofflichen Integrität des Speichermaterials, also zur Verhinderung chemischer Wechselwirkungen der PCM mit Wärmeträgerfluiden sowie umgebenden Medien und Materialien.

Diese Anforderungen an Formstabilität und Dichtheit sind bei der Entwicklung von Kapselungen und der dazugehörigen Technologien mit weiteren Randbedingungen in Einklang zu bringen, insbesondere mit der Minimierung der durch das Kapselmaterial bedingten Reduzierungen des Speichervolumens, der durch die Kapselwand verminderten Dynamik der Wärmeübertragung und dem Ausgleich von Volumen- bzw. Druckänderungen beim Phasenwechsel des PCM. Nicht zuletzt bedeuten Kapselungen neben technischen Herausforderungen stets auch zusätzlichen Aufwand und Preis für Material und Technologie.

Im Rahmen eines 2015 abgeschlossenen Forschungsvorhabens wurde eine Labortechnologie für rohrgekapselte Wärmespeicherstäbe entwickelt. Eine Vorzugsvariante für Anwendungen bis ca. 140 °C besteht dabei aus Kunststoffrohren mit Stöpseln, speziell aus Polypropylen (PP).

Mit Rohrkapselungen wurde (im Vergleich zu gekapselten Kugeln) eine technologieaffine Quasi-Endlos-Methode mit einer guten Volumennutzung in Packungen und stabilen Kanälen für das Wärmeträgerfluid entwickelt. Rohre, Stöpsel und PCM-Kerne können mit industriellen Standardtechnologien hergestellt werden.

Als Wärmespeichermaterial kommen alle PCM mit Schmelztemperaturen von ca. 0 °C bis ca. 130 °C in Frage wie z. B. Polyethylen, Zuckeralkohole, Wachse, Hydrate sowie organische Salze, Säuren und andere Verbindungen oder wässrige Solen. 

Das Füllen der Rohre mit PCM kann, wie in der Laborvariante, durch Gießen oder durch das Einführen fester Stabkerne erfolgen. Ansätze für eine solche Technologie wurden ebenfalls erarbeitet. Die Ergebnisse wurden in eine Patentanmeldung mit dem Titel „Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Latentwärmespeicherelements“ umgesetzt. Als Verschlusstechnologie wurde ein spezielles Schweißverfahren eingesetzt.

Beispielhafte Kennwerte der Kapselungen sind: LRohr = 50 cm, Daußen = 15 mm, dWand = 1 mm. Bei einem PCM-Innenfüllgrad von 81 – 87 % des Volumens und einem Anteil des PCM an der Gesamtmasse von ca. 76 % werden Speicherkapazitäten von 23 – 27 kJ pro laufendem Meter der Speicherrohre erreicht. Bei Untersuchungen der Eigenschaften der Rohre bei Temperaturen bis 145 °C in verschiedenen Wärmeträgerfluiden (Wasser, Glykol, Silikonöl) wurden Funktion, Dichtheit, thermische Stabilität und Kompatibilität der Rohr-Kapselungen nachgewiesen.

Wärmespeicherstäbe: links: 25 °C - PCM fest, rechts: 140 °C - PCM geschmolzen Für Pilot- und industrielle Anwendungen ist das ILK interessiert an Kooperationspartnern aus der Kunststoff- bzw. Wärmetechnik für die technologische Umsetzung, Produktion und großtechnische Erprobung der rohrgekapselten Latentwärme-Speicherstäbe. 


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