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2008-03: Neue Trends in der Solarthermie

Solarthermie

Abbildung 1: PCM-Speichertestanlage in Almeria, Spanien

Latentwärmespeicherung erlaubt den Bau von kompakten Speichern, die Wärmeenergie bei nahezu konstanter Temperatur abgeben bzw. aufnehmen können. Durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit verleiht Graphit den Speichern eine hohe Dynamik, d.h. er erlaubt das Laden und Entladen in kurzer Zeit. Im vorliegenden Artikel werden einige Anwendungen dieser Speichertechnik vorgestellt: Kältespeicherung zur Klimatisierung von LKW-Kabinen, passive Gebäudekühlung und Speicherung von (solarer) Prozesswärme.

Hochleistungs-Verbundwerkstoffe zur Wärmespeicherung
Schwerpunkt solare Prozesswärme

Von Martin Christ*

Knapper werdende Ressourcen und steigende Energiepreise geben Anlass, effizientere Methoden der Energienutzung und alternative Energiequellen einzusetzen. Günstige Quellen für Wärmeenergie stellen z.B. die Sonne oder die Nutzung von Abwärme dar. In der Praxis scheitert der Einsatz dieser Energiequellen für industrielle Prozesse häufig daran, dass er die Produktionsplanung abhängig von der Witterung oder vom Angebot an Abwärme aus anderen Prozessen macht. Die effiziente Speicherung von Wärmeenergie kann hier Abhilfe schaffen, indem sie Angebot und Bedarf an Wärme zeitlich zusammenführt. Eine hohe Wärmespeicherdichte innerhalb eines engen Temperatur¬intervalls wird durch Latentwärme-Speicherung erreicht. Latentwärme-Speichermedien werden auch als Phasenwechsel-Materialien (phase change materials, PCMs) bezeichnet. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit vieler PCMs, die zu langen Lade- und Entladezeiten von Latentwärme-Speichern führt, wird durch die Herstellung von PCM/Graphit-Verbundmaterialien überwunden. Sie weisen neben einer hohen Wärmekapazität auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. So kann die Dynamik von Latentwärme-Speichern deutlich gesteigert und der Bau von neuen, leichteren und kompakteren Wärmespeichern ermöglicht werden.

Latentwärmespeicherung

Als PCM bezeichnet man Materialien mit einem Phasenübergang, dessen latente Wärme sich technisch nutzen lässt [2, 3]. Beispiele für solche Phasenübergänge sind Schmelz- und Erstarrungsvorgänge oder die Umkristallisation von Festkörpern. Das Prinzip der Latentwärme-Speicherung wird in Abbildung 2 anhand eines Schmelzvorgangs erklärt. Wird einem Körper Wärmeenergie zugeführt, erhöht sich seine Temperatur proportional zur zugeführten Wärmemenge. Beim Erreichen der Schmelztemperatur T_M bleibt die Temperatur trotz weiterer Energiezufuhr konstant, bis das Material geschmolzen ist. Erst nach dem vollständigen Schmelzen steigt die Temperatur bei fortgesetzter Energiezufuhr weiter an. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, kann im Temperaturbereich T_b T_c, der einen Phasenübergang z.B. von fest auf flüssig enthält, wesentlich mehr Energie gespeichert werden, als in den gleich großen Temperaturbereichen T_a T_b und T_c T_d, in denen kein Phasenwechsel stattfindet. Je nach benötigter Speichertemperatur werden unterschiedliche PCMs eingesetzt. Im Temperaturbereich zwischen 0 °C und 100 °C werden meist Paraffine oder Salzhydrate verwendet. Bei höheren Temperaturen kommen z.B. Salze zum Einsatz.
Auf Grund der hohen Wärmespeicherfähigkeit von PCMs ermöglicht das Konzept der Latentwärmespeicherung doppelt bis fünffach so hohe Speicherdichten wie klassische Warmwasserspeicher. Ein Nachteil vieler reiner PCMs ist jedoch ihre geringe Wärmeleitfähigkeit, die zu sehr langen Lade- und Entladezeiten führt. Graphit ist ein Material mit einer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit, das in verschiedensten Anwendungen zur Steigerung der Leitfähigkeit von schlecht leitenden Materialien verwendet wird. Aufgrund seiner hohen chemischen Beständigkeit und seiner Neigung, schon bei geringen Füllgraden Netzwerke mit guter Leitfähigkeit zu bilden, ist expandierter Graphit für diese Anwendungen das ideale Material. Durch die Verwendung von PCM/Graphit-Verbundmaterialien kann die Wärmeleitfähigkeit deutlich erhöht werden, wodurch eine leistungsfähigere Speicherung möglich ist. Da der Volumenanteil von Graphit am Verbundmaterial typischerweise etwa 10 % beträgt, wird die Wärmekapazität von PCM/Graphit-Verbundmaterialien im Vergleich zu reinen PCMs kaum beeinträchtigt.

Abbildung 2: Prinzip der Latentwärmespeicherung: In einem Temperaturintervall, das einen Phasenübergang enthält, kann eine besonders große Wärmemenge gespeichert werden

PCM/Graphit-Verbundmaterialien und Speicherkonzepte

Zur Steigerung der thermischen Leitfähigkeit von PCMs mit Hilfe von Graphit existieren verschiedene Konzepte: Ein Konzept basiert auf der Herstellung eines hoch wärmeleitfähigen Verbundmaterials aus PCM und Graphit. Dies kann z.B. durch die Infiltration von porösen Graphitstrukturen mit flüssigem PCM [4] oder durch die Herstellung von Verbunden aus Graphitpulver und PCM (Compound) [5] erreicht werden. Die Wärmeleitfähigkeit solcher PCM/Graphit-Verbundmaterialien kann bei einem Graphitgehalt von 10 Vol.-% 20 bis 30 W/(m•K) betragen [6]. Im Vergleich dazu liegt die Wärmeleitfähigkeit von Paraffinen nur bei ca. 0,2 W/(m•K) und die von Salzen oder Salzhydraten bei etwa 0,4 bis 0,8 W/(m•K). Nach einem alternativen Konzept (Sandwich-Konzept) wird die Wärmeübertrager-Oberfläche durch Wärmeleitstrukturen aus Graphit erhöht. So werden z.B. Folien oder Platten aus expandiertem Graphit senkrecht zu den Rohren eines Wärmetauschers angebracht, um die Wärmeleitung vom PCM zu den Rohren hin zu erhöhen.

Tabelle 1: Vergleich von Wärmeleitfähigkeit und dadurch erzielte Leistungssteigerung im Vergleich zu reinem PCM für verschiedene PCM/Graphit Speicherkonzepte. Bei allen Angaben wird ein Graphitanteil von 10 Vol. % angenommen

Eisspeicher

Das am längsten bekannte und kostengünstigste PCM ist Wasser/Eis. Mit der Energiemenge, die nötig ist, um Eis von 0 °C in Wasser von 0 °C zu überführen, könnte Wasser von 0 °C auf etwa 80 °C erhitzt werden. Eine Serienanwendung von Wasser/Eis als PCM liegt in der Standkühlung von LKW-Kabinen. Mit Wasser infiltrierte Graphitplatten bilden das Speichermedium. Während der Fahrt wird das Wasser durch die bestehende Klimaanlage zu Eis gefroren. Bei abgeschaltetem Motor kann die Kabinenluft durch Schmelzen des Eises gekühlt werden. Die Graphitmatrix sorgt für die benötigten kurzen Lade- und Entladezeiten des Speichers [3]. Die Standkühlung wird seit Mitte 2005 durch Webasto in Kooperation mit SGL produziert und vermarktet. Die Speicherkapazität beträgt 5 kWh und Kühlleistung liegt zwischen 300 und 2000 W. Die Verwendung von Eis/Wasser als Kältespeichersystem ist natürlich nicht auf mobile Anwendungen wie die beschriebene Kabinenkühlung oder die Kühlung von Transportgütern beschränkt. Auch stationäre Anwendungen eines derartigen platzsparenden Speichersystems sind denkbar, wie z.B. die Verschiebung des Kühlenergiebedarfs in Zeiten mit günstigeren Stromtarifen oder tieferen Außentemperaturen, d.h. höheren Anlagenwirkungsgraden.

Gebäudekühlung

Die passive Gebäudekühlung macht sicht die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht zu nutze, indem kalte Nachtluft zur Kühlung am nächsten Tag verwendet wird. Ein dezentrales Lüftungsgerät ist an Abbildung 3 skizziert [5]. Das Herzstück bilden mit PCM infiltrierte poröse Platten aus expandiertem Graphit, die unter dem Markennamen Ecophit® von SGL Technologies GmbH vertrieben werden. Ein erfolgreicher Feldtest mit 50 Einheiten wurde im Sommer 2006 durchgeführt.
Die Schmelztemperatur des verwendeten PCMs liegt typischerweise im Bereich von 20 °C. Die Plattenoberflächen wirken als Wärmetauscherflächen. An ihnen kann Wärme einerseits von der zu kühlenden Raumluft auf die Speicherplatten übertragen und andererseits von den Speicherplatten auf die kalte Nachtluft übertragen werden. Wenn tagsüber die Raumtemperatur einen Wert von etwa 20 °C übersteigt, wird überschüssige Wärme in den Wärmespeicher übertragen, indem die Raumluft durch einen Ventilator entlang der Plattenoberflächen bewegt wird. Die warme Raumluft lässt das PCM schmelzen und kühlt dabei auf Temperaturen leicht über dem Schmelzpunkt des PCMs ab. In der Nacht wird der Wärmespeicher wieder entladen, indem man kalte Luft von außen ansaugt, an den Platten vorbeistreichen lässt, und dadurch das PCM wieder erstarren lässt. Der Speicher wird so entleert und steht zur Aufnahme überschüssiger Wärme am nächsten Tag wieder zur Verfügung. Die hohe Wärmeleitfähigkeit der PCM/Graphit-Platten sorgt für kurze Lade- und Entladezeiten auch bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen den Speicherplatten und der Raum- oder Umgebungsluft.

Abbildung 3: Dezentrales Kühlungsgerät auf Basis eines PCM/Graphit-Speichers [5]

Prozesswärmespeicherung

Viele industrielle Prozesse benötigen eine Wärmeversorgung auf konstantem Temperaturniveau, wie z.B. die Erzeugung von Dampf oder der Betrieb von Adsorptionskältemaschinen. Unter technischen und kommerziellen Gesichtspunkten bieten PCM-Speicher hier Vorteile gegenüber konventionellen sensiblen Speichersystemen. Besonders bei Dampfprozessen können PCM-Speicher neue Wärmequellen erschließen helfen, indem sie Wärmeangebot und Wärmebedarf zeitlich zusammenführen und so die Nutzung von solarer Wärme oder Abwärme ermöglichen. In den letzten Jahren haben das DLR Stuttgart und SGL Group eine Reihe von Prototypen zur Wärmespeicherung im Temperaturbereich bis 250 °C aufgebaut und getestet. In Tabelle 2 sind einige Daten dieser Prototypen zusammengestellt. Als PCM wurden meist Nitrat- oder Nitritsalze verwendet. Diese Materialien sind in großen Mengen verfügbar. Durch Veränderung des Mischungsverhältnisses kann der Schmelzpunkt eines derartigen Salzmischung bis zu einem gewissen Grad an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden.
Alle Prototypen wurden in unterschiedlichen Betriebszuständen getestet, z.B. unter konstanter Leistungsabgabe, konstanter Dampftemperatur oder maximaler Leistungsabgabe [6, 7]. Diese Untersuchungen zeigen, dass Latentwärmespeicherung mit thermischen Leistungen im 100 kW Bereich und darüber hinaus auch die direkte Dampferzeugung in einem PCM-Speicher möglich ist. In Abbildung 4 ist ein Prototyp (Nr. 3 in Tabelle 2) während eines Tests zu sehen.

Tabelle 2: Zur Prozesswärmespeicherung oder Dampferzeugung getestete Prototypen

Abbildung 4: PCM-Speicher nach dem Sandwich-Konzept in Betrieb

Abbildung 5 zeigt Versuchsdaten eines Probelaufs unter konstanter (reduzierter) Leistung. Dampf wird mit 2,5 bar (Sättigungstemperatur ca. 125 °C) erzeugt. Die PCM-Temperatur bleibt konstant bei der Schmelztemperatur von etwa 145 °C während die Schmelzfront das Thermoelement passiert (nach ca. 1000 s).

Abbildung 5: Dampfleistung, PCM-Temperatur und Dampftemperatur eines PCM/Graphit-Speichers

Ein Demonstrationsprojekt, in dem zwei Speichereinheiten mit ca. 200 kW Leistung in einem industriellen Prozess zur Abwärmenutzung eingesetzt werden sollen, ist in Vorbereitung.

*) Dr. Martin Christ ist bei SGL Group in Meitingen, Deutschland, für die Entwicklung im Bereich "Expandierter Graphit" verantwortlich, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!, www.sglcarbon.com[^]