Wasser hat sich als Wärmeträger bewährt, wenn es beispielsweise darum geht, Wärme vom Heizkessel zum Heizkörper zu transportieren oder Kühldecken mit Kälte zu versorgen. Doch der Wärmeträger bekommt Konkurrenz: Sogenannte PCM-Emulsionen mit hoher Speicherdichte für den Einsatz in Gebäuden und in der Industrie, aber auch für die Anwendung in Wärmepumpensystemen und zur Batteriekühlung in Kraftfahrzeugen. Phasenwechselmaterialien, auch Phase Change Materials (PCM) genannt, sind ein wichtiger Baustein im effizienten Thermomanagement. Ihr Einsatz ermöglicht es, Energie einzusparen.
Forschende am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg entwickeln zusammen mit Industriepartnern im Projekt Optimus PCM-Emulsionen, die die doppelte Speicherdichte von Wasser erreichen. Die PCM-Emulsionen sind eine Mischung aus Paraffinen und Wasser oder – wenn es auf Frostsicherheit ankommt – Wasser-Glykol-Gemischen. Sie besitzen eine höhere Energiedichte als Wasser, weil die Paraffine bei bestimmten Temperaturen eine Phasenumwandlung durchlaufen. Während des Phasenwechsels nehmen die PCM große Mengen an Wärme auf oder geben sie ab, wobei ihre Temperatur konstant bleibt – ähnlich wie Wasser, das bei 0 °C gefriert oder schmilzt.
Flüssig trotz Phasenwechsel
Der große Unterschied: „Indem wir die Paraffine in Wasser emulgieren, können sie unabhängig von ihrem Phasenzustand in der hergestellten Emulsion flüssig bleiben und als Wärmeträgerflüssigkeiten in Wärme- und Kältenetzen genutzt werden, also durch Rohrleitungen gepumpt werden“, erläutert Stefan Gschwander, Wissenschaftler am Fraunhofer ISE. So können die Forschenden im Schmelzbereich des PCM bei gleichem Volumen die doppelte Speicherdichte von Wasser erzielen, das derzeit in konventionellen Wärme- und Kälteversorgungsnetzen als Wärmeträger eingesetzt wird.
Neben ihrer hohen Speicherdichte zeichnen sich PCM-Emulsionen durch eine Reihe weiterer Vorteile aus: Aufgrund ihrer hohen Wärmespeicherfähigkeit können Anlagen mit PCM platzsparender konzipiert werden. Besonders bei geringen Temperaturspreizungen bieten sie hohe Wärmekapazitäten. „Der Einsatz von PCM ist vor allem bei Anwendungen interessant, die nur eine geringe Temperaturspreizung zulassen, beispielsweise der Gebäudekühlung oder Klimatisierung. Konventionelle Klimasysteme mit Wasser als Wärmeträger benötigen hohe Volumenströme und große Speichervolumen. Hier spielen PCM ihren Vorteil aus“, so der Forscher.
Maßgeschneiderte PCM mit verschiedenen Schmelztemperaturen
Im Projekt entwickeln die Partner PCM-Emulsionen mit Schmelztemperaturen zwischen 12 und 18 Grad Celsius, 20 und 28 Grad sowie 45 und 50 Grad für jede Anwendung, sei es Gebäudeklimatisierung, Industrieanlagen, Batteriekühlung oder Wärmepumpe. Alle entwickelten Emulsionen wurden bereits in einem hydraulischen Testkreis mit Zentrifugalpumpe, verschiedenen Ventilen, Membranausgleichsgefäß und Plattenwärmeübertrager thermomechanisch getestet. Sie können bis zu 100.000 Zyklen überstehen. Dabei haben die Forschenden die PCM-Emulsionen zunächst im Labormaßstab mit Herstellungsmengen von bis zu fünf Litern entwickelt, charakterisiert und getestet. Anschließend wurden die Rezepturen in den Technikumsmaßstab überführt und Mengen von bis zu 100 Litern hergestellt.
Ein weiteres Upscaling der PCM-Emulsionen in den Kubikmeter-Maßstab ist in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner H&R Wax & Specialties geplant. Ziel ist es, die PCM-Emulsionen in großem Maßstab herzustellen, um sie in Kältespeichern zur Gebäudeklimatisierung oder Prozesskühlung zu demonstrieren. Zunächst werden die PCM-Emulsionen für zwei Demonstrationsprojekte zur Verfügung gestellt:
- Zum einen wird in der Heizperiode die Abwärme von Serverräumen eines Gerichtsgebäudes gespeichert und später über die PCM-Emulsion der Zuluft zugeführt und so dem Gebäude zur Beheizung zur Verfügung gestellt.
- In einer zweiten Anwendung sollen Spritzgussmaschinen gekühlt werden und die zu Spitzenlastzeiten gespeicherte Wärme soll nachts an die kühle Außenluft (freie Kühlung) wieder abgegeben werden.
Emulgierte Paraffintröpfchen stabilisieren
„Derzeit optimieren wir unsere Rezepturen, um noch höhere Stabilitäten und Speicherdichten zu erzielen, sagt der Forscher. Für die praktische Anwendungen ist es entscheidend, die Paraffine in Wasser oder den Wasser-Glykol-Mischungen nicht nur fein verteilen (dispergieren oder emulgieren) zu können, sondern die Paraffinemulsionen bei den gewünschten Temperaturen trotz des Phasenwechsels und mechanischer Beanspruchungen stabil zu halten. Für diese thermisch-mechanische Stabilität spielen sogenannte Tenside eine wichtige Rolle.