Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Aufgrund der notwendigen Dimensionierung von K\u00e4lteerzeugern nach der auftretenden Spitzenlast, passen K\u00e4ltebedarf und installierte Leistung nicht in allen Betriebsphasen optimal zueinander. Die Folge sind niedrige Teillasten und Taktung der Anlage, verbunden mit niedrigen Gesamtwirkungsgraden. Mit dem Einsatz von Speichern l\u00e4sst sich in diesen F\u00e4llen die Anlageneffizienz verbessern. Die verf\u00fcgbaren Kaltwasserspeicher ben\u00f6tigen aufgrund der geringen Spreizung von etwa 6 K aber sehr gro\u00dfe Volumina. Eisspeicher weisen dagegen eine hohe Speicherdichte auf, sind derzeit aber nur f\u00fcr gro\u00dfe Anlagen wirtschaftlich einsetzbar. Das Projekt befasste sich daher mit der Optimierung von Latentk\u00e4ltespeichern, mit dem Ziel die Effizienz solcher Speicher zu verbessern und diese andererseits unter wirtschaftlichen Aspekten auch f\u00fcr den Kleink\u00e4ltebereich zug\u00e4nglich zu machen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr Anwendungen in der Klimatechnik ist vor allem der Temperaturbereich von 4 \u00b0C bis 15 \u00b0C relevant. Es wurden dazu potentielle Speichermedien recherchiert, wobei in der Literatur h\u00e4ufig wichtige Stoffdaten fehlen. F\u00fcr einige Substanzen wurden daher die Umwandlungstemperaturen und die Schmelzenthalpien mittels DSC-Messungen bestimmt. Zudem wurden W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeiten mit einer eigens daf\u00fcr angefertigten Hitzdrahtsonde gemessen. Als Basis f\u00fcr die Optimierung der Speicher wurde das statische Funktionsprinzip ausgew\u00e4hlt. Bei diesem sind das Speichermedium und der W\u00e4rmetr\u00e4ger durch eine Wand r\u00e4umlich voneinander getrennt, wodurch einfache Konstruktionen und ein wartungsarmer Betrieb erm\u00f6glicht werden. Dazu wurden im Projekt verschiedene Varianten der Verkapselung des Speichermediums auf ihre Eignung hinsichtlich str\u00f6mungs- und k\u00e4ltetechnischer Aspekte betrachtet. In einem Modellspeicher wurden die auftretenden Druckverluste f\u00fcr die Durchstr\u00f6mung der verschiedenen Kapselformen messtechnisch bestimmt, und die Gleichm\u00e4\u00dfigkeit der Str\u00f6mung durch Zugabe von Farbstoff visuell beurteilt. Anschlie\u00dfend wurden unter Verwendung von Wasser\/Eis als Speichermedium an einem Pr\u00fcfstand die \u00fcbertragbaren Leistungen beim Lade- und Entladevorgang f\u00fcr verschiedene Volumenstr\u00f6me ermittelt. Aus einem Vergleich der Ergebnisse wurde eine Vorzugsvariante ausgew\u00e4hlt und mit dieser ein Prototyp eines Speichers realisiert, an dem weitere Leistungsmessungen vorgenommen wurden.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Es wurden einige Substanzen ausgew\u00e4hlt, die aufgrund ihrer angegebenen Schmelztemperatur potentiell zur Verwendung als Latentspeichermedium (PCM) geeignet erschienen. Der Fokus wurde dabei \u00fcberwiegend auf Salzhydrate gelegt. Diese weisen h\u00e4ufig gro\u00dfe Schmelzenthalpien auf, und sind mit technischen Reinheitsgraden in gro\u00dfen Mengen preisg\u00fcnstig verf\u00fcgbar. Die gemessenen Schmelzenthalpien der ausgew\u00e4hlten Salzhydrate bzw. von deren Gemischen erwiesen sich aber als niedrig. Zudem zeigten alle Proben eine starke Unterk\u00fchlung, so dass zum Anregen der Kristallisation weit unter den Schmelzpunkt abgek\u00fchlt werden muss. Zur Verwendung solcher Substanzen m\u00fcssen auf jeden Fall immer passende Keimbildner gefunden werden, um diesen Effekt zu reduzieren. Die verwendete Hitzdrahtsonde zur Bestimmung der W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit erlaubt eine preiswerte Messung sowohl im fl\u00fcssigen als auch im festen Zustand des Speichermediums.<\/p>\n
Im Projekt wurden verschiedene Varianten zur Best\u00fcckung von statischen Latentk\u00e4ltespeichern untersucht und miteinander verglichen. Da in Eisspeichern h\u00e4ufig Kugelsch\u00fcttungen zum Einsatz kommen, und man f\u00fcr diese in der Literatur auch Messwerte findet, wurde als Referenz eine Kugelsch\u00fcttung mit Durchmessern von 59 mm verwendet. Ein Vergleich der Druckverluste zeigte, dass auch bei deutlich kleineren Schaumstoffpartikeln, mit einem \u00e4quivalenten Durchmesser von etwa 20 mm, keine signifikanten Unterschiede auftreten. Im Sinne einer optimalen W\u00e4rme\u00fcbertragung sollten also m\u00f6glichst kleine Kapselgeometrien gew\u00e4hlt werden, um die Nachteile der niedrigen W\u00e4rmeleitf\u00e4higkeit der Speichermedien zu kompensieren. Weiterhin wurden zwei verschiedene Anordnungen von Schlauchbeuteln untersucht. Diese haben den Vorteil einer automatisierten und preiswerten Fertigung, da derartige Verpackungssysteme in der Lebensmitteltechnik weit verbreitet sind. Bei diesen Varianten konnten gegen\u00fcber den Kugeln ebenfalls keine wesentlich gr\u00f6\u00dferen Druckverluste ermittelt werden, diese erm\u00f6glichen gleichzeitig aber deutlich gr\u00f6\u00dfere Volumennutzungsgrade. W\u00e4hrend mit zuf\u00e4lligen Kugelsch\u00fcttungen nur etwa 64 % des Beh\u00e4ltevolumens mit dem Speichermedium gef\u00fcllt werden k\u00f6nnen, sind mit den Schlauchbeutelvarianten bis 93 % m\u00f6glich. Trotz anf\u00e4nglicher Bedenken, dass aufgrund gro\u00dfer Ber\u00fchrungsfl\u00e4chen zwischen den Beuteln nur ein schlechter Kontakt mit dem W\u00e4rmetr\u00e4gerfluid entsteht, zeigten die Schlauchbeutelvarianten auch bei der \u00fcbertragbaren Leistung Verbesserungspotential gegen\u00fcber der Kugelsch\u00fcttung. Als kritischer Punkt stellt sich derzeit noch die Haltbarkeit des untersuchten Verkapselungsmaterials heraus, da bei den Lade- und Entladezyklen im Modellspeicher einige Beutel mechanische Besch\u00e4digungen erlitten. Im Prototypen wurde ebenfalls eine Schlauchbeutelsch\u00fcttung, aber mit gr\u00f6\u00dferen Foliendicken, eingesetzt. Damit lie\u00dfen sich die Probleme zwar weitgehend eliminieren, die untersuchte Belastung betr\u00e4gt aber auch nur wenige Zyklen. Als Alternative wurden jedoch schon andere Materialien ermittelt, die eine deutlich h\u00f6here Haltbarkeit erwarten lassen. Hier sind noch weitere Untersuchungen, insbesondere \u00fcber eine gr\u00f6\u00dfere Zyklenzahl, notwendig. Dies sollte aber auf jeden Fall in einem Speicherbeh\u00e4lter erfolgen, da die zur Besch\u00e4digung f\u00fchrenden Belastungen an Einzelproben nicht auftreten. Anschlie\u00dfen k\u00f6nnten sich ggf. auch Tests mit dem Einsatz von anderen PCMs als Wasser. In Anbetracht der hohen Potentiale bei gleichzeitig niedrigen Kosten f\u00fcr die Fertigung erscheinen diese Aufwendungen aber als gerechtfertigt.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Das Geniale liegt in der Einfachheit unter diesem Thema wird das Projektteam die Untersuchungsergebnisse in einer Vortragsreihe f\u00fcr die Energiewirtschaft dem Fachpublikum vorstellen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Projekt konnte eine kosteng\u00fcnstige Variante zur Verkapselung von PCM und zum Aufbau von statischen Latentspeichern aufgezeigt werden. Gegen\u00fcber markt\u00fcblichen L\u00f6sungen mit Kugelsch\u00fcttungen kann eine deutlich gr\u00f6\u00dfere Speicherdichte erzielt werden. Um das vorgestellte Speicherkonzept bis zur Marktreife zu f\u00fchren, sind jedoch noch weitere Untersuchungen hinsichtlich der Zyklenbest\u00e4ndigkeit der Verkapselungen notwendig. Ein wichtiger verbleibender Schritt, vor allem zur Nutzung der Speicher in Kombination mit Absorptionsk\u00e4ltemaschinen f\u00fcr die solare Klimatisierung, ist die Entwicklung geeigneter Speichermedien mit einem Schmelzpunkt oberhalb von 0 \u00b0C. Aufgrund der Unterk\u00fchlungsneigung vieler potentieller Speichermedien stellt dabei die Suche nach geeigneten Keimbildnern eine Hauptaufgabe dar. Diese Thematik ist jedoch derart umfangreich und komplex, dass dies nur die Aufgabe eines eigenen Forschungsprojektes darstellen kann.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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