Phasenwechselmaterialien zur thermischen Energiespeicherung Peter Schossig Thomas Haussmann Stefan Gschwander Fraunhofer ISE Energieforum Nord Hamburg-Harburg, 14.02.2008
Vergleich Massivbau-Leichtbau Leichtbau schwingt 10K, Massivbau 5K Leichtbau verläßt Komfortbereich Speicher spart Energie
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
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
Vergleich sensible - latente Wärmespeicherung Temperatur T T m sensibel latent sensibel klassisch PCM Wärme Q
Mögliche Materialien: Bauanwendungen
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
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
Konzept PCM-Baustoffe mit Mikrokapseln
Baustoffe mit PCM-Mikrokapseln Entwicklungsprojekt Industriepartner BASF, caparol, maxit und Sto Fraunhofer ISE 1/1999-9/2004 Förderung durch BMWA FKZ 0329840A-D Verschiedene Produkte seit 2004 auf dem Markt
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
Wandoberflächentemperaturen für 15 mm Gipsputz mit 20% PCM und Referenzputz
Seit 2004 Produkte Mind. 2 Firmen die Makrokapseln verwenden Dörken Rubitherm BASF: micronal www.micronal.de Verschiedene Produkte mit Mikrokapseln: Gipsputz,Gipsplatten, Porenbetonsteine.. SmartBoard
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: 0327370F-I,S
3 Systeme werden realisiert und vermessen 3 Unterschiedliche Systemkonfigurationen die von einem Kältespeicher profitieren sollen realisiert und vermessen werden Foto: DAW Foto: Patrick Beuchert
Dispersionsmasse mit PCM, Kaltwassersatz
Gipsputz mit PCM, Kraft-Wärme-Kälte-Verbund
Gipskarton mit PCM, Erdsonde SmartBoard
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
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
Gebäudekonzept Leichtbau-Konstruktion Gebäudebestand
Gebäudekonzept Natürliche Lüftung Gebäudebestand
Gebäudekonzept 30 cm Dämmung day lighting Verschattung Gebäudebestand Uw=1.2 W/m²K
Ausführung - Erdsonden
Ausführung PCM-Kühldecken
Thermografie der Kühldecke 23 C Kühldecke mit PCM 23 C 29 C
Komfortgewinn durch Strahlungskälte Raumhöhe height [m [m] ] 8 6 4 2 0 radiant PCM Decke roof cooling Kühlceiling Decke floor Boden 13.08.2007 12:30 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Temperatur room air temperature [ C ] [ C] Temperaturschichtung in der Halle
Thermischer Komfort gemessen Thermischer Komfort nach DIN 1946 1-2 K wärmer als erwartet aber noch innerhalb des Nutzereinflußes Optimierung der Kühlung notwendig Raumtemperatur [ C] 32 30 28 26 24 22 20 Simulation Monitoring 18-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Außentemperatur [ C]
Messdaten Bauteilkühlung Hohe Raumtemperaturen und Amplituden Entladen des PCM Speichers unvollständig Bauteilkühlung nicht ausreichend temperature [ C] Temperatur [ C] 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 PCM PCM room Raum Sonde supply Wochenende weekend no mechanical cooling, 21.8 22.8 23.8 24.8 25.8 26.8 27.8 28.8 Nur night ventliation Lüftung only
Planungswerkzeug Hilft bei: Systemauswahl Auswahl der Materialien Dimensionierung ermöglicht: Bewertung des Komforts Energieeinsparung Wirtschaftlichkeit Anforderung: Einfach zu bedienen Geringe Rechenzeit Veröffentlichung 03/2008
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: 327384A-C
Vergleich mit Wasser Factor 4 bei Energiedichte im Vergleich zu Wasser möglich
Herstellung einer Emulsion Herstellung einer Emulsion durch Mixen Emulgator 0.5-5% Paraffin 1-70% Wasser 28-99%
Herstellung einer Emulsion Herstellung einer Emulsion durch Mixen
Herstellung einer Emulsion Herstellung einer Emulsion durch Mixen
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
Fließverhalten einer Phasenwechsel Emulsion Die Viskosität hängt von der Temperatur ab 100 90 80 Emulsion 30% RT20 Scherrate 200s-1 kuehlen Emulsion 30% RT20 Scherrate 200s-1 heizen Viskosität [mpas] 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 Temperatur [ C]
Verhalten unter realen Anlagenbedingungen Teststand 15 l Flüssigkeit Volumenstrom bis ca 1800 l/h Plattenwärmetauscher Kreiselpumpe
Verhalten unter realen Anlagenbedingungen Schema des Teststand Tksout Tkpin Thsout Thpin Wärme Tksin Tkpout Thsin Thpout
Thermophysikalisches Verhalten Druckverlust am Wärmetauscher im Vgl. zu Wasser geschmolzen: ca. 1.2-1.3fach kristallisiert: ca. 1.4-2.4fach kleiner als durch Viskositätsmessung erwartet V Δp Differenzdruck [bar] 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 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) 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 Vergleich zu Wasser [-] 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 1 Volumenstrom [l/h]
Lebensdauer bei Beanspruchung in hydraulischen Kreisen Wärmetauscher nach dem Test
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
Danke für Ihre Aufmerksamkeit und den Partnern des ISE sowie dem Projektträger PTJ und dem BMWi für die gute Zusammenarbeit
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 2.11.06 wurde beschlossen, auch Systeme zu bewerten, nur dann Siegel für Systeme erste Zertifizierungen laufen