Motivation
Die deutsche Industrie verbraucht pro Jahr rund 460 Mrd. Kilowattstunden Prozesswärme. Davon werden aktuell weniger als 10 % regenerativ bereitgestellt. Dies ist nicht verwunderlich, denn Prozesswärme bei Temperaturen teils deutlich über 100 °C lässt sich ohne CO2-Emissionen nur aus Biogas oder Ökostrom erzeugen – beides knappe Ressourcen. Eine Senkung prozesswärmebedingter Treibhausgasemissionen lässt sich dennoch zeitnah durch eine intelligente Nutzung industrieller Abwärme (Projekt ANKIP) oder perspektivisch durch Power-to-heat-Anwendungen realisieren. Beide Wege können nur durch den Einsatz effizienter Hochtemperatur-Wärmespeicher umgesetzt werden, die den aus technologischen oder wirtschaftlichen Gründen entstehenden zeitlichen Versatz zwischen Prozesswärmeerzeugung und -bedarf überbrücken. Das Projekt MetallPCM möchte zu deren Entwicklung einen wichtigen Beitrag leisten.
Ziele
Es sind unterschiedliche Technologien der Wärmespeicherung bei Temperaturen über 100 °C verfügbar. An der Hochschule Zittau/Görlitz wird bereits erfolgreich an sog. Zweistoff-Wärmespeichern geforscht (Projekt EDWENIA), die eine Mineralgesteinschüttung als Speichermedium mit Thermoöl als Wärmeträger kombinieren. Diese sensiblen Wärmespeicher stellen eine wirtschaftliche Lösung bis zu Temperaturen von max. 350 °C dar. Deutlich höhere Speicherdichten (Wärmeinhalt pro Volumeneinheit) lassen sich mit sog. Latentwärmespeichern erreichen (Projekt LaNDER³ IP5&9), die den Phasenwechsel fest/flüssig des Speichermaterials nutzen, welches deshalb als Phase Change Material (PCM) bezeichnet wird. Bei Temperaturen über 200 °C bieten sich Metalle und Legierungen als PCM an, die im Gegensatz zu allen anderen organischen und anorganischen PCM über eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen und so nicht nur hohe Speicherdichten, sondern auch hohe Leistungsdichten (Speicherleistung pro Volumen) ermöglichen. Das Projekt MetallPCM will dieser hocheffizienten und flexibel einsetzbaren Speichertechnologie zum Durchbruch verhelfen.
Methoden
Nach Erstellen eines Lastenheftes mit allen Anforderungen an die zu entwickelnde Speichertechnologie, quasi als „Fahrplan“ für den weiteren Projektverlauf, wird federführend durch den Projektpartner Fraunhofer IFAM Dresden ein umfangreiches Materialscreening durchgeführt. Dieses soll geeignete Metalle und Legierungen als mögliche PCM identifizieren, die für die Auslegung eines Metall-PCM-Speichers benötigten Stoff- und Transportgrößen bereitstellen und Erkenntnisse zur Materialkompatibilität zwischen dem PCM und potenziellen Verkapselungswerkstoffen generieren. Auf dieser Grundlage werden modulare Speichergeometrien bei variablen Be- und Entladekonzepten wärmetechnisch untersucht und durch Laborexperimente flankiert. Gemeinsam mit dem Projektpartner IPM hier an der Hochschule Zittau/Görlitz wird schließlich ein Latentwärmespeicher-Demonstrator entwickelt, gefertigt und im Zittauer Kraftwerkslabor normgerecht charakterisiert.
Ergebnisse
Als erster Schritt wurde durch das Projektkonsortium ein Lastenheft erstellt, in dem alle Anforderungen an die zu entwickelnde Speichertechnologie erfasst sind. Erste Ergebnisse des Materialscreenings wurden bereits im Projektkonsortium diskutiert.
