Ziel der Entwicklung

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Latentwärmespeicheranlage im Technikum des ILK Dresden

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines Latentwärmespeichers für den Temperaturbereich um 130 °C. Latentspeicher nutzen den Phasenwechsel (Schmelzen/Erstarren) eines Speichermaterials (Phase Change Material = PCM), um eine große Wärmemenge in einem engen Temperaturintervall zu speichern. Üblicherweise werden PCM gekapselt, um Form und stoffliche Integrität der Speicherkörper im geschmolzenen Zustand zu erhalten. Kapselungen bedeuten aber neben technischen Nachteilen stets einen sehr hohen Aufwand/Preis für Material und Technologie. Die Zielstellung des vorliegenden Forschungsvorhabens lag in der Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von ultrahochmolekularem Polyethylen (PE-UHMW). Dieses Material hat dank seiner besonderen Eigenschaften im geschmolzenen Zustand eine so extrem hohe Viskosität, dass es sich wie ein Festkörper verhält. Formstabil schmelzendes PE-UHMW kann daher als ungekapseltes PCM eingesetzt werden.

Vorteile und Lösungen

Die thermische Speicherung im Temperaturbereich von etwa 130 °C kann in vielen industriellen Branchen nutzbringend sein:
- Einsatzmöglichkeiten bieten sich überall, wo thermische Energie – vor allem Abwärme durch Erschließen ungenutzter Potenziale – gespeichert werden soll, um höhere Energie-Effizienzen zu erreichen. Besonders bei zyklischen industriellen Prozessen kann Wärme zwischengespeichert und anschließend wieder genutzt werden.
- Energiespeicherung ist bedeutsam nicht nur für die Energieeffizienz, sondern eine Schlüsselfrage für die Hinwendung zu erneuerbaren Energien, die meist unstetig zur Verfügung stehen. Hier tragen die Speicher bei zur Vergleichmäßigung des Energieangebotes und zur Erweiterung der Einsatzgebiete regenerativer Energien bei.
- Das Spitzenlastverhalten der Wärmeversorgung kann mittels Wärmespeichern im Hochtemperaturbereich versorgungsseitig geglättet werden; die Fahrweise kann energieeffizient optimiert werden.
Gegenwärtig gibt es noch keine kommerziellen Lösungen für Latentwärmespeicher im Bereich um 130 °C. Druckwasserspeicher weisen jedoch einige Nachteile auf, wie eine geringere Speicherkapazität und eine aufwändige Druckbehälter- und Sicherheitstechnik. Der Nutzen der Lösung des ILK für den Kunden besteht neben Einsparungen von Primärenergie in den hohen Speicherdichten und dem Wegfall der Druckbehältertechnik. Besonders vorteilhaft ist die Nachrüstung existierender Wasser- oder Ölspeicher.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Aufgabe der Entwicklung und des Tests eines Latentwärmespeichers für den Temperaturbereich um 130 °C auf der Basis von formstabil schmelzendem, kapsellosem PE-UHMW als PCM wurde erfolgreich gelöst. Auf der Basis umfangreicher Untersuchungen zu Eigenschaften und Verhalten des formstabil schmelzenden Phasenwechselmaterials (PCM) wurde ein Wärmespeicher-Funktionsmuster konzipiert, konstruiert, errichtet und in Betrieb genommen. Das Funktionsprinzip wurde durch eine Prinziplösung mit drucklosem, offenem System und kompatiblem Wärmeträgerfluid erfolgreich bestätigt; mit 379 kg PCM wurden Speicherkapazitäten von 27 kWh erreicht. In Tests von insgesamt 735 h Dauer wurde eine Reihe von Betriebserfahrungen für diese Speicheranlage sowie für künftige Serienanwendungen gewonnen.
Durch die erfolgreiche interdisziplinäre Projektbearbeitung auf den Gebieten Physik, Chemie, Werkstofftechnik, Maschinenbau, Energietechnik und Elektrotechnik/MSR einschließlich von Rohrkapselungs-Referenzlösungen für andere PCM und Temperaturbereiche wurde die Kompetenz des ILK für Untersuchungen der thermischen und technischen Eigenschaften und der Medienstabilität von PCM sowie für Konzeptionen von Speicheranwendungen weiterentwickelt.