PCMs für industrielle Speicheranwendungen

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Joachim Acker
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1 PCMs für industrielle Speicheranwendungen Kostengünstige organische Phasenwechselmaterialien Florian Hengstberger 2. Tagung Kompakte thermische Energiespeicher, Wirtschaftskammer Österreich, 14. September 2016 Inhalt Phasenwechsel (PCM) Speicher gestern, heute und morgen Warum Speicher über 100 C für industrielle Anwendungen? Arbeiten und Ergebnisse aus Projekt bei AIT 1

2 Phasenwechsel-Speicher früher Exportgut Natureis: Von Zell am See in die (bayrischen) Bierkeller Eisschneiden Ersetzt durch die Kältemaschine PCM Speicher heute Eis-Wasser- Kältespeicher Wasser-Eis- Wärmespeicher Salzhydrat- Wärmespeicher Viessmann 2

3 Warum Speicher für die Industrie? 3 % Wirtschaftswachstum: Verdopplung (des Verbrauchs) in 70 / 3 23 Jahren Industrie braucht mehr Wärme als Strom Warum C? Quelle: Haas et al., Wärme und Kälte aus Erneuerbaren 2030,

Druckanstieg bei Phasenwechsel fest/flüssig

sehr günstig (1 /kg) Anforderungen an das

4 Warum PCM-Speicher? Isotherme Energiespeicherung (viel kleinere T als bei sensiblen Speichern) Hohe Energiedichte bei kleinem T (deshalb kompakt) Bei Druckwasser oder Dampf als Wärmeträger: Druckloser Behälter da kein Druckanstieg bei Phasenwechsel fest/flüssig Bei Thermalöl als Wärmeträger: Material sehr günstig (1 /kg) Anforderungen an das Material: Gutartig (nicht korrosiv, ungiftig) Günstig ( /kg) Verschiedenen Schmelzpunkte! PCM Speicher morgen Nitriumnitrat Anorganisches Salz T m 319 C Düngemittel 0,4 /kg 4

5 PCM Speicher morgen Universitat de Lleida Hydrochinon Organisches Molekül T m 170 C Haut pflege mittel 2 /kg? Materialklassen PCMs gibt es über einen weiten Temperaturbereich (Trend: H = S T m T m ) 5

6 Salze zwischen 100 und 200 C LiNO 3 hat den niedrigsten Schmelzpunkt Binäre, ternäre oder quaternäre Mischungen mit Lithium Korrosive Alternativen Quelle: M. Kenisarin et al., High-temperature phase change materials for thermal energy storage, Renew Sustain Energy Rev 11 (2007) Warum sind Lithiumsalze keine Option? 6

Polyethylen Speicher @ AIT Polyethylen Organisches Material

of a fin-tube latent heat storage using high density

et al, Experimental characterization and simulation of a

Energ Polyethylen Speicher @ AIT Aluminiumdruckguss

7 Polyethylen AIT Polyethylen Organisches Material Unbedenklich 1 /kg T m 150 C Einsatzbereit Ein Material mit einer Schmelztemperatur! Zauner et al, Expermental characterization and simulation of a fin-tube latent heat storage using high density polyethylene as PCM, Appl Energy 179 (2016) Zauner et al, Experimental characterization and simulation of a hybrid sensiblelatent heat storage, submitted to Appl. Energ Polyethylen AIT Aluminiumdruckguss Thermalölsystem Monitoring der Energieströme Erhöhung von: Energieeffizienz Anfahrzeit durch Zwischenspeicherung 7

8 Zuckeralkohole in TES4SET Ziel: Neue Familie von Materialien Positiv Hohe Enthalpie Temperaturbereich! Unbedenklich Kein Korrosion Günstig Negativ Wärmeleitfähigkeit Stabilität Nukleation Zuckeralkohole in TES4SET Methode Langzeitstabilität Unterkühlung u. Nukleation Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit 8

1900 0,5 85 11 Hitec 0,93 80 140 1900 0,5 42 42 Dipentaerythritol 1,40 310 220 1373 1 118 16

9 Zuckeralkohole gegen Salze Sehr gutes Preis/Leistungsverhältnis der Zuckeralkohole: Price H Tm r l Storage Density Specific Cost ($/kg) kj/kg ( C) (kg/m3) (W/mK) (kwh/m3) ( /kwh) Solar Salt 0, , Hitec 0, , Dipentaerythritol 1, Möglichkeiten der Organische Chemie Praktisch unendlich viele Varianten Ausscheidungsgründe (Erfahrung, Stabilität, Kosten) 9

epaths electrical PCM Assisted Thermal Heating System Fahrzeugklimatisierung 3,5 M$ Budget des DOE Familie von PCMs mit sehr

10 Die Suche nach geeigneten organische PCMs 40 Millionen organische Verbindungen sind bekannt Methode: Suche in 900 Seiten Schmelzwärmen Elektronische Datenbank Analyse von Kandidaten in der DSC Ermittlung der Preise Neue Organische Systeme < 100 C epaths electrical PCM Assisted Thermal Heating System Fahrzeugklimatisierung 3,5 M$ Budget des DOE Familie von PCMs mit sehr hoher Enthalpie Temperatur < 100 C Kommerziell nicht erhältlich Stoffe uns bekannt (Datenbank + Erfahrung) Wasser: H = 334 kj/kg 10

Neue Organische Systeme in TES4SET Methode Neues System basierend auf modifizierten Alkanen mit T m zwischen 100 und 200 C Sehr hohe Schmelzwärmen (besser als Wasser) Stabilität? Wärmeleitfähigkeit?

11 Neue Organische Systeme in TES4SET Methode Neues System basierend auf modifizierten Alkanen mit T m zwischen 100 und 200 C Sehr hohe Schmelzwärmen (besser als Wasser) Stabilität? Wärmeleitfähigkeit? Billige Produktion möglich? Zusammenfassung Industrie braucht sehr viel Wärme im Bereich C Erneuerbare, Energieeffizienzgesetz: Thermische Speicher sind eine Kernkomponente! Polyethylen (150 C) bereits einsatzbereit und im Speicher getestet Zuckeralkohole sehr gute Kandidaten (verbessert) Neue Materialien mit sehr guter Performance weiter untersucht 11

12 Ausblick Gestern Exportgut Phasenwechselmaterial Eis Morgen Exportgut Phasenwechselspeicher Vielen Dank! 12

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