Erfahrungen bei der Anwendung des Latentwärmespeichermaterials LC-58 bei der Speicherung solarthermischer Energie an Pilotanlagen in Freiberg

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Claus Hofmann
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1 Erfahrungen bei der Anwendung des Latentwärmespeichermaterials LC-58 bei der Speicherung solarthermischer Energie an Pilotanlagen in Freiberg Innovationsforum Thermische Energiespeicherung 27./28. Mai 2010

2 Gliederung 1 Motivation 2 Bisherige Arbeiten 2.1 Latentwärmespeichermaterial 2.2 Verkapselung 3 Pilotspeicher 4 Ausblick Folie 2

3 Motivation Verfügbare Ressourcen Ökologisches Interesse Interesse an alternativen Energiequellen Schwankendes Energieangebot Nachfrage nach Speicherung Folie 3

4 Latentwärmespeichermaterial Funktionsweise Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums (Nutzung von Schmelzwärme) Phasenübergang Phase Change Material zugeführte Wärmemenge in kj/l Wasser PCM 58 latente Wärme sensible Wärme Temperatur in C Folie 4

5 Latentwärmespeichermaterial Technische Anforderungen an Phase Change Materials passender Schmelzpunkt möglichst große spezifische Schmelzwärme möglichst große spezifische Wärmekapazität gute Wärmeleitfähigkeit (schnelle Aufnahme; schnelle Abgabe) günstige Volumen- bzw. Dichteänderung beim Phasenübergang Chemische und physikalische Stabilität im Wärmeübertragungsprozess Umweltverträglich, nicht toxisch Preis Zyklenstabilität Folie 5

6 Latentwärmespeichermaterial Phase Change Materials Organische PCM 700 Paraffine Zuckeralkohole Salze und Salzhydrate CH 3 COONa 3H 2 O F P = 58 C H = 289 kj/kg spez. Schmelzenthalpie in kj/l H 2 O Paraffin C 18 Ba(OH) 2 * 8H 2 O CH 3 COONa * 3H 2 O D-Sorbitol D-Mannitol Mg(NO 3 ) 2 * 6H 2 O Schmelzpunkt in C Folie 6

7 Latentwärmespeichermaterial Schneider-Speicher kompakte Befüllung mit Salzhydrat Paraffin-Speicher Befüllung mit Paraffin (Wärmezellen, modularer Aufbau möglich) aufwändige Konstruktion (Cu-Platten) hoher Preis geringe Leistung kompliziertes Handling geringe Wärmeleitfähigkeit langsamer Wärmeübergang hoher Preis hoher Platzbedarf Folie 7

8 Latentwärmespeichermaterial LC-58 Speichersystem wurde von 2005 bis 2008 durch Forschungsinstitut für Chemie, Umwelttechnik und Recycling (VECUR e. V.) und Kooperationspartner entwickelt Zwei abgeschlossene Forschungsprojekte Entwicklung eines neuartigen Speichersystems für Solaranlagen auf der Basis eines Latentwärmespeichermaterials (BMBF) Entwicklung einer Technologie zur Makroverkapselung von LWSM (SAB) Seit 2009 Weiterführung durch UVR-FIA GmbH Folie 8

9 Latentwärmespeichermaterial LC-58 Zyklenstabilität Schmelz- und Erstarrungsverhalten Ziel: homogenes Schmelzen und Kristallisieren des PCM zur Verhinderung der Stratifikation Chemische Beständigkeit Ziel: keine chemische Materialveränderung im eingesetzten Temperaturbereich keine Reaktion mit den umgebenden (Wärmetauscher)Medien Dichte Ziel: Verkapselung erfüllt Anforderungen (Dichteunterschied zwischen fester und flüssiger Phase Volumenausdehnung beim Schmelzen) Folie 9

10 Latentwärmespeichermaterial LC-58 Zyklenstabilität Zyklentests Makroverkapseltes Schüttgut 70 Zyklus1 Zyklus100 Zyklus400 Zyklus500 Temperatur in C Zeit in Stunden Folie 10

11 Latentwärmespeichermaterial LC-58 Abkühlkurve (IR-Kamera) Folie 11

12 Pilotspeicher Testspeicher Fa. LatentSol, Freiberg 150 / 200 l Speicher 800 l Speicher Befüllung: LC-58 Frank Reichelt (LatentSol- Energietechnik Freiberg) Folie 12

13 Pilotspeicher Vergleich der Abkühlkurven eines 150 l Wasserspeichers und eines 150 l LC-58 Speichers Wasserspeicher LC-58 Speicher Temperatur in C Latentspeicher Speicher mit Wasser TE Speicher mit LWSM TE TE Zeit in Stunden TE 3 Folie 13

14 Pilotspeicher Gespeicherte Wärmemenge 800 l - Speicher Temperaturbereich C; LC-58 Befüllungsgrad 60 % 80 Eingespeicherte Wärmemenge in kwh ,9 kwh 70,1 kwh 0 Wasserspeicher LC-58 Speicher Folie 14

15 Pilotspeicher 3,4 kwh 3,2 kwh Temperaturbereich: C Speichervolumen: 800 l LC-58 - Befüllung: 60 % 11,4 kwh 11,1 kwh 41,0 kwh Wasser Schmelzenthalpie Wärmemenge flüssige Phase Wärmemenge feste Phase Wärmemenge Polymer Folie 15

16 Pilotspeicher Entladung 800 l - Speicher Wasser Temp. Sensor 1 Wasser Temp. Sensor 2 Wasser Temp. Sensor Temperatur in C Zeit in h Folie 16

17 Pilotspeicher Entladung 200 l - Speicher Leistung in kw L 8 min 41 L 8 min 45 L 9 min 55 L 11 min 65 L 13 min 70 L 14 min 75 L 15 min Wärme in kwh Temperatur in C Vorlauf Rücklauf Temperatur in C :30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 Zeit in h Sensor1 Sensor2 Sensor3 Sensor4 200 l Speicher mit LWSM gefüllt Folie 17

18 Versuchsspeicher TU BAF (IEC) LWSM LWSM LC-58 H 2 O H 2 O Folie 18

19 Versuchsspeicher TU BAF (IEC) Folie 19

20 Zusammenfassung Temperaturvergleich Einspeicherung von 46,4 kwh (Maximum Wasserspeichers) Wärmeverluste bezogen auf den Wasserspeicher LC-58 Speicher Wasserspeicher LC-58 Speicher Wasserspeicher 52,4 43% Temperatur in C 0% 20% 40% 60% 80% 100% Wärmeverlust in % Folie 20

21 Zusammenfassung Basis LC-58: Speicherung der Wärme aus Solaranlagen (Brauchwassererwärmung und Heizungsunterstützung) Verringerung von Speichervolumen bei gleicher Wärmespeicherkapazität (bzw. Erhöhung der Wärmespeicherkapazität bei gleichem Volumen) gegenüber herkömmlichen Wasserspeichern Einsparungen bei den Energiekosten auf Grund der Langzeitspeicherung und damit Verringerung der Kosten für Heizung und Warmwasser Folie 21

22 Ausblick Mechanisches Befüllen vorgegebener Behältnisse (Kugeln, Kapseln, Container, Folien, Hohlstrukturplatten, Kunststoffformen, Schläuche, ) mit LC-58 Technikumsmaßstab teilautomatisiert up-scale-fähig bzw. kommerzielle Lösungen vorhanden Begrenzte Kapazität momentan geringe Tagesproduktion möglich hohe Kosten hoher Preis Folie 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 23

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