Phasenwechselmaterialien zur thermischen Energiespeicherung

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1 Phasenwechselmaterialien zur thermischen Energiespeicherung Peter Schossig Thomas Haussmann Stefan Gschwander Fraunhofer ISE Energieforum Nord Hamburg-Harburg,

2 Vergleich Massivbau-Leichtbau Leichtbau schwingt 10K, Massivbau 5K Leichtbau verläßt Komfortbereich Speicher spart Energie

3 Kältemarkt EU-weit Vervierfachung der klimatisierten Flächen 1996 bis 2020 erwartet (Quelle: EERAC- Studie) Global 2002 bereits 15% des Stromverbrauches für Kälteerzeugung und Klimatisierung (Quelle: IIR) gekühlte Flächen im tertiären Sektor in Europa 27%, USA 80%, Japan > 95 %(Quelle: EERAC-Studie) Steigerungsraten des Kältemarktes am Beispiel Italiens

4 2 Formen der Wärmespeicherung sensibel latent Wärmekapazität Wasser 4.19 J/gK 0 C -> 80 C = 335J/g Schmelzwärme Wasser/Eis 0 C -> 0 C = 333J/g

5 Vergleich sensible - latente Wärmespeicherung Temperatur T T m sensibel latent sensibel klassisch PCM Wärme Q

6 Mögliche Materialien: Bauanwendungen

7 Vor und Nachteile der potentiellen PCM Salzhydrate Paraffine hohe Schmelzwärme viele Materialien in verschiedenen Temperaturbereichen relativ kostengünstig korrosiv häufig große Unterkühlung können nicht wirtschaftlich mikroverkapselt werden häufig inkongruentes Schmelzen nicht toxisch oder korrosiv freie Wahl des Schmelzpunktes kaum Unterkühlung Mikroverkapselung möglich brennbar geringere volumetrische Schmelzwärme

8 Historie Viel Forschung in den USA in den 70 ern Direkteinbringung Makroverkapselte Salze, Paraffine Patente, aber keine Produkte scheitert an: Austritt des PCM s, Störung der Stoffeigenschaften Aufwändige Einbringung Beschädigungsgefahr schlechte Wärmeleitfähigkeit Lösung: Mikroverkapselung

9 Konzept PCM-Baustoffe mit Mikrokapseln

10 Baustoffe mit PCM-Mikrokapseln Entwicklungsprojekt Industriepartner BASF, caparol, maxit und Sto Fraunhofer ISE 1/1999-9/2004 Förderung durch BMWA FKZ A-D Verschiedene Produkte seit 2004 auf dem Markt

11 Vergleichsmessungen 6 mm caparol Spachtelmasse Zwei identisch ausgestattete und betriebene Testräume - mit zwei Produkten je ein Jahr vermessen Ergebnis: nächtliche Entwärmung ist wesentlich bis zu 4 K Differenz

12 Wandoberflächentemperaturen für 15 mm Gipsputz mit 20% PCM und Referenzputz

13 Seit 2004 Produkte Mind. 2 Firmen die Makrokapseln verwenden Dörken Rubitherm BASF: micronal Verschiedene Produkte mit Mikrokapseln: Gipsputz,Gipsplatten, Porenbetonsteine.. SmartBoard

14 Aktive PCM-Systeme Bei passiven Systemen Beschränkungen des Speichers: durch Luft-Wand-Wärme-Übergang Einzige Kältequelle Nachtluft bei Außentemperatur Lösung: Aktiv durchströmte Systeme Verbesserter Wärmeübergang Beliebige Kältequelle anschließbar Entwicklungs-Projekt 9/2004-8/2008 BASF, caparol, maxit, valentin Energiesoftware, BTU Cottbus, Fraunhofer ISE Förderung durch BMWi, FKZ: F-I,S

15 3 Systeme werden realisiert und vermessen 3 Unterschiedliche Systemkonfigurationen die von einem Kältespeicher profitieren sollen realisiert und vermessen werden Foto: DAW Foto: Patrick Beuchert

16 Dispersionsmasse mit PCM, Kaltwassersatz

17 Gipsputz mit PCM, Kraft-Wärme-Kälte-Verbund

18 Gipskarton mit PCM, Erdsonde SmartBoard

19 Anwendungsbeispiel Anwender: ENGELHARDT & BAUER Druck- und Verlagsgesell-schaft mbh in Karlsruhe Verwaltungsgebäude: Sanierung Flachbau und Erweiterung um ein Stockwerk in Leichtbauweise (Nutzfläche ~900 m²) Fotos: Patrick Beuchert

20 Sanierung + Erweiterung um ein Stockwerk typisches Gebäude aus den 70ern Nachteile: Hoher Energieverbrauch schlecht isoliert schlechte Ausleuchtung schlechte Akustik schlechter thermischer Komfort, Sommer wie Winter

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22 Gebäudekonzept Leichtbau-Konstruktion Gebäudebestand

23 Gebäudekonzept Natürliche Lüftung Gebäudebestand

24 Gebäudekonzept 30 cm Dämmung day lighting Verschattung Gebäudebestand Uw=1.2 W/m²K

25 Ausführung - Erdsonden

26 Ausführung PCM-Kühldecken

27 Thermografie der Kühldecke 23 C Kühldecke mit PCM 23 C 29 C

28 Komfortgewinn durch Strahlungskälte Raumhöhe height [m [m] ] radiant PCM Decke roof cooling Kühlceiling Decke floor Boden : Temperatur room air temperature [ C ] [ C] Temperaturschichtung in der Halle

29 Thermischer Komfort gemessen Thermischer Komfort nach DIN K wärmer als erwartet aber noch innerhalb des Nutzereinflußes Optimierung der Kühlung notwendig Raumtemperatur [ C] Simulation Monitoring Außentemperatur [ C]

30 Messdaten Bauteilkühlung Hohe Raumtemperaturen und Amplituden Entladen des PCM Speichers unvollständig Bauteilkühlung nicht ausreichend temperature [ C] Temperatur [ C] PCM PCM room Raum Sonde supply Wochenende weekend no mechanical cooling, Nur night ventliation Lüftung only

31 Planungswerkzeug Hilft bei: Systemauswahl Auswahl der Materialien Dimensionierung ermöglicht: Bewertung des Komforts Energieeinsparung Wirtschaftlichkeit Anforderung: Einfach zu bedienen Geringe Rechenzeit Veröffentlichung 03/2008

32 Phasenwechselfluide (PCS) z. B. Wasser/Wasser-Glykol als Trägerfluid und Paraffinmikrokapseln als PCM Vorteil: in einem engen Temperaturband deutlich erhöhtes Speichervermögen, dadurch: kleinere Speicher Trägerfluid + PCM geringere Verluste durch isotherme Speicherung geringere Pumpenenergie, da geringere Massenströme Erhöhung der Kapazität eines bestehenden Systems nur durch Austausch des Fluids Forschungs-Projekt 9/2005-3/2007 Partner Rubitherm, IOLITEC, Fraunhofer ISE/UMSICHT; Förderung durch BMWI FKZ: A-C

33 Vergleich mit Wasser Factor 4 bei Energiedichte im Vergleich zu Wasser möglich

34 Herstellung einer Emulsion Herstellung einer Emulsion durch Mixen Emulgator 0.5-5% Paraffin 1-70% Wasser 28-99%

35 Herstellung einer Emulsion Herstellung einer Emulsion durch Mixen

36 Herstellung einer Emulsion Herstellung einer Emulsion durch Mixen

37 Herstellung einer Emulsion Vergrößerung der inneren Oberfläche Paraffinkugel D = 20 cm Volumen = 4 L Oberfläche = 0,126 m² Paraffintröpfchen D = 5 μm Oberfläche 4800 m²

38 Fließverhalten einer Phasenwechsel Emulsion Die Viskosität hängt von der Temperatur ab Emulsion 30% RT20 Scherrate 200s-1 kuehlen Emulsion 30% RT20 Scherrate 200s-1 heizen Viskosität [mpas] Temperatur [ C]

39 Verhalten unter realen Anlagenbedingungen Teststand 15 l Flüssigkeit Volumenstrom bis ca 1800 l/h Plattenwärmetauscher Kreiselpumpe

40 Verhalten unter realen Anlagenbedingungen Schema des Teststand Tksout Tkpin Thsout Thpin Wärme Tksin Tkpout Thsin Thpout

41 Thermophysikalisches Verhalten Druckverlust am Wärmetauscher im Vgl. zu Wasser geschmolzen: ca fach kristallisiert: ca fach kleiner als durch Viskositätsmessung erwartet V Δp Differenzdruck [bar] UMSICHT Emulsion RT20 6 C UMSICHT Emulsion RT20 25 C Wasser bei 5 C (Emu 6 C)/(Wasser 5 C) (Emu 25 C)/(Wasser 5 C) Vergleich zu Wasser [-] Volumenstrom [l/h]

42 Lebensdauer bei Beanspruchung in hydraulischen Kreisen Wärmetauscher nach dem Test

43 Zusammenfassung PCM-Baustoffe und systeme können einen Beitrag dazu leisten, den weltweit zu beobachtenden Anstieg des Kühlenergiebedarfes zu verringern bzw. den Anteil an Umweltwärmesenken an der Deckung dieses Energiebedarfes deutlich zu steigern Passive Baumaterialien und Komponenten mit PCM sind marktverfügbar und Demogebäude realisiert Aktive Komponenten sind aktueller Gegenstand der Forschung, erste Demoobjekte werden vermessen Notwendig sind noch Optimierungen der Gesamtsysteme Phasenwechselfluide sind Gegenstand aktueller Forschung und können eventuell in Zukunft die Energiedichte von Kältespeichern vervierfachen und Leitungsnetze verbessern

44 Danke für Ihre Aufmerksamkeit und den Partnern des ISE sowie dem Projektträger PTJ und dem BMWi für die gute Zusammenarbeit

45 Standardisierung PCM - RAL Gütesiegel vereinheitlichte Meßverfahren für PCM und PCM- Verbundmaterialien und neuerdings Systeme 3 Gütekriterien: Schmelzwärmeverlauf, Zyklenstabilität, Wärmeleitfähigkeit aktuell haben sich 6 Firmen zu einer Gütegemeinschaft zusammengeschlossen: BASF, Rubitherm, Doerken, EMCO, SGL, Arcadis, (offen für weitere!!) Güte- und Prüfbestimmungen wurden verabschiedet und das RAL-Gütesiegel beantragt Am wurde beschlossen, auch Systeme zu bewerten, nur dann Siegel für Systeme erste Zertifizierungen laufen