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 könnte Konkurrenz bekommen: Im Projekt Optimus entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aus der Industrie PCM-Emulsionen mit hoher Speicherdichte für den Einsatz in Gebäuden und der Industrie, aber auch für die Anwendung in Wärmepumpensystemen und zur Batteriekühlung in Kraftfahrzeugen.
Die PCM-Emulsionen sind ein Mix aus Paraffinen und Wasser oder Wasser-Glykol-Mischungen, die vor allem im mobilen Bereich eingesetzt werden, wobei das beigemischte Glykol für Frostsicherheit sorgt. Die Forscher verwenden Paraffine, die in Wasser oder den Wasser-Glykol-Mischungen dispergiert beziehungsweise emulgiert werden. Tenside stabilisieren die sehr fein im Wasser verteilten Paraffintröpfchen, wodurch die thermisch-mechanische Stabilität erreicht wird. Die Emulsionen nutzen die hohe Energiedichte von Paraffinen während der Phasenumwandlung von fest zu flüssig.
„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, also durch Rohrleitungen gepumpt werden“, erklärt Stefan Gschwander, Wissenschaftler am Fraunhofer ISE. „Während des Phasenwechsels nehmen die PCM große Mengen an Wärme auf oder geben sie ab, wobei ihre Temperatur konstant bleibt.“ Auf diese Weise lässt sich im Schmelzbereich des PCM bei gleichem Volumen die doppelte Speicherdichte von Wasser erzielen, das derzeit in konventionellen Wärme- und Kälteversorgungsnetzen als Wärmeträger eingesetzt wird.
Kleinere Anlagen durch hohe Wärmekapazität
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“, sagt Gschwander. „Konventionelle Klimasysteme mit Wasser als Wärmeträger benötigen hohe Volumenströme und große Speichervolumen. Hier spielen PCM ihren Vorteil aus.“
Für 100.000 Zyklen ausgelegt
Im Projekt entwickeln die Partner PCM-Emulsionen mit Schmelztemperaturen zwischen 12 und 18 °C, 20 und 28 °C sowie 45 und 50 °C für verschiedene Anwendungen. Dazu zählen Gebäudeklimatisierung, Industrieanlagen, Batteriekühlung und Wärmepumpen. 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 Wissenschaftler die PCM-Emulsionen zunächst im Labormaßstab mit Herstellungsmengen von bis zu 5 l entwickelt, charakterisiert und getestet. Anschließend wurden die Rezepturen in den Technikumsmaßstab überführt und Mengen von bis zu 100 l hergestellt.
Demonstration in Gerichtsgebäude und Spritzguss
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 Emulsionen in großem Maßstab herzustellen, um sie in Kältespeichern zur Gebäudeklimatisierung oder Prozesskühlung zu demonstrieren.
Zunächst werden die Emulsionen für zwei Demonstrationen zur Verfügung gestellt: Zum einen wird in der Heizperiode die Abwärme von Serverräumen eines Gerichtsgebäudes gespeichert, 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, wobei die zu Spitzenlastzeiten gespeicherte Wärme nachts an die kühle Außenluft (freie Kühlung) abgegeben werden soll. „Derzeit optimieren wir unsere Rezepturen, um noch höhere Stabilitäten und Speicherdichten zu erzielen“, sagt Gschwander.
