Entwicklung von Latentwärmespeichernauf der Basis von Paraffin-Polymer-Compounds
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- Gregor Schuster
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1 Abteilung Kunststoff- Forschung Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.v. Ostthüringische Materialprüfgesellschaft für Textil und Kunststoffe mbh Entwicklung von Latentwärmespeichernauf der Basis von Paraffin-Polymer-Compounds
2 Abteilung Kunststoff- Forschung Inhalt Einleitung Übersicht Speicherarten (sensibel/latent) Funktionsprinzip PCM-Speicherung PCM-Materialien Beispiele
3 Einleitung: Warum thermische Energie speichern? Verknappung fossiler Ressourcen, CO2-Diskussion Steigender Primär-Energieverbrauch in Fernost undefinierte Stromspitzen durch Windkraft, PV => (smart-grid, power-to-heat) zeitliche Differenz zwischen Energieangebot und Verbrauch (z. B. Öko-Strom, Solarthermie, Abwärme) Effizienzsteigerung bei technischen Prozessen
4 Abteilung Kunststoff- Forschung Sensible Speicherung Statische Aufladung = Je größer die Spannungsdifferenzen desto höher die Kapazitäten Vorteil: Einfachster Aufbau Nachteil: Kein konstantes Verhalten, Schichtungen Thermischer sensibler (Wasser)-Speicher = Je größer die Temperaturdifferenz desto größer die Kapazität
5 Beispiel sensible Speicherung Wasserspeicher m³ 10 C 95 C
6 Abteilung Kunststoff- Forschung Transformator latente Speicherung schwankende elektr. Spannung schwankende Eingangstemperaturen können direkt eingeladen werden: Das PCM wirkt als Temperatur- Transformator Temperatur-Transformation Elektro-Akku = Thermischer PCM-Akku = geglätteter Strom konstante Spannung: 1,3 V variabler Strom: z. B ma Kapazität: Ah / Wh konstante Temperatur: 42 C variabler Volumenstrom (Leistung): z. B W/Liter konstante Temperatur Max. Ladestrom: z. B. 10C Kapazität: Wh Ladeleistung: z. B. 10C
7 Das Prinzip der latenten Wärmespeicherung Abkühlkurve Wasser Abkühlkurve PCM flüssig Kristallisationstemperatur Abkühlkurve PCM fest Energie sensibel Energie latent nutzbares delta T= Arbeitsbereich
8 Abteilung Kunststoff- Forschung C Temperaturausgleichende Wirkung durch Einsatz von PCM (ober- und unterhalb der Phasenwechseltemperatur) Erreichung der Phasenwechsel -temperatur Teilladungsbetrieb Kapazität des PCM aufgebraucht, Beginn des sensiblen Temp.- Anstiegs Zeit
9 Quelle: ZAE Bayern
10 kj 300 Vergleich Wärmekapazitäten Kapazität in 250 kj/kg 200 kj/liter T=15K 150 Kapazität kj/kg Kapazität kj/liter Stein Wasser Salzhydrat Paraffin
11 Aspekte zum Aufbau eines thermischen Energiespeichers: 1) Speichermedium (z. B. Wasser, PCM usw.): Kapazität und Kosten variabel 2) Wärmeübertragungsflächen: Einfluss auf Strömung des Wärmeträger-Mediums und Leistung 3) Abgrenzungen des Speichermaterials zum Wärmeträgermedium (Wärmeübertrager) 4) Speicherhülle (Werkstoffe: Gewicht, Verarbeitbarkeit, Preis, Geometrien, Temp.-Beständigkeit 5) Dämmung (Verlustleistung, Volumen) 6) Schichtdicken des Speichermediums (Temperaturgradient) 7) Befüllung des Speichers werkseitig oder vor Ort (Transportproblem) 8) Ausdehnungsprobleme (Paraffin/Salzhydrat): nur Wasser oder Kristallwachstum
12 Quelle: ZAE Bayern
13 Anwendungsbeispiel Makroverkapselung Quelle: Fraunhofer ISE
14 OC : Das neue, innovative PCM matrixgebundenes PCM auf Basis eines Polymer-Trägerwerkstoffes (keine Verkapselung) herstellbar in verschiedenen Arbeitstemperaturen und Geometrien
15 Abteilung Kunststoff- Forschung OC-Wärmespeichergranulate, Eigenschaften Wärmekapazitäten: 1 kg OC-Compound: ca Wh 1 m² Folie (t = 1 mm) = 1l = 0,85 kg = ca Wh Die Schwankungen sind abhängig vom eingesetzten Basis-PCM.
16 Abteilung Kunststoff- Forschung aufgeschmolzen als Granulat kristallin
17 Abteilung Kunststoff- Forschung OC : Das neue, innovative PCM-Compound thermoplastisch weiterverarbeitbar zu: Folien / Platten (auch kaschiert) Filamente strukturverstärkte Platten Spritzgußkörper
18 Warum der Aufwand? Betrachtung für den Speichereinsatz Reines PCM PCM in Hohlkugeln (d: 20 mm) PCM-Granulat
19 Reines PCM PCM in Hohlkugeln (d: 20 mm) PCM-Granulat Kapazität I kwh/einheit Kapazität II konstant C Leistung kw/einheit
20 Vergleich PK mit PP-Hohlkugeln PP-Hohlkugeln D = 20 mm Wandstärke = 1 mm PCM-Granulat mittleres d = 3 mm Ma% RT / kg Lückenvolumen in % 57 ca ca. 32 Kapazität/Liter Paraffin mit 170 J/g Kapazität/Liter Paraffin HC mit 240 J/g Kapazität/Liter Salzhydrat mit 200 J/g Oberfläche cm²/liter Leistung W/Liter (mit α = 6 W/m²*K) 16 Wh 23 Wh 26 Wh (aussen) / (innen) 7 23 Wh 33 Wh
21 Abteilung Kunststoff- Forschung Das OC-PCM-Granulat vereint folgende Komponenten: 1) PCM 2) Verkapselung (matrixeingelagertes PCM) 3) Wärmeübertragungsfläche 4) Statik für das PCM Beispiel wassergeführtes Granulat
22 Abteilung Kunststoff- Forschung Beispielhafte Entladekurve eines wassergeführten Systems:
23 Eigenschaftscharakterisierung Zyklentestmit 3,5 kg OC44 mit 100 l/h 16 Zyklen/d
24 Eigenschaftscharakterisierung Zyklentestmit 3,5 kg OC44 / 100 l/h
25 Abteilung Kunststoff- Forschung Beispiel eines luftgeführten Systems: Beplankte OC -PCM-Folie Klimabox mit PCM-Folien
26 Abteilung Kunststoff- Forschung Beispielhafte Entladekurve eines luftgeführten Systems: Variabilität Ausgleich von Lufttemperaturschwankungen Speicherung von Abluftwärme Variable Größe optimale Anpassung individuelle Leistungsbereich
27 Abteilung Kunststoff- Forschung Vielen Dank! Kontakt: Dipl.-Ing. Dirk Büttner Tel.:
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