Entwicklung von Latent-Wärmespeichern auf Basis metallischer PCM für eine nachhaltige Prozesswärmeversorgung

Allgemeine Informationen

Inhaltliche Projektbeschreibung

Das geplante Forschungsprojekt zielt darauf ab, eine flexible und wirtschaftliche Lösung zur Dekarbonisierung der Prozesswärmebereitstellung für industrielle Prozesse zu entwickeln und damit klimarelevante CO2-Emissionen deutlich zu verringern. Industrielle Prozesswärme stellt mit ca. 2/3 einen entscheidenden Anteil des Endenergieverbrauches der deutschen Industrie dar. Von den rund 450 Mrd. Kilowattstunden Prozesswärme werden aktuell nur etwa 7 % aus erneuerbaren Quellen erzeugt, die Wärmewende steckt hier also sprichwörtlich noch in den Kinderschuhen. Um die bisherige zumeist erdgasbasierte Prozesswärmeerzeugung zu ersetzen, stehen prinzipiell nur Biogas, Ökostrom oder - in Mitteleuropa eher eingeschränkt - Hochtemperatur-Solarwärme zur Verfügung.

Da Biogas auch nur begrenzt nutzbar ist, liegt der Fokus auf regenerativ erzeugtem Ökostrom. "Grüner" Wasserstoff wird durch Elektrolyse mit mindestens 30 % Umwandlungsverlust aus Ökostrom hergestellt, so dass der direkte Stromeinsatz zu bevorzugen ist. Zur Entwicklung effizienter und wirtschaftlicher Power-to-Heat-Lösungen sind thermische Energiespeicher (TES) perspektivisch bis 500 °C Einsatztemperatur unabdingbar. Diese Speicher können Diskrepanzen zwischen der Verfügbarkeit von Ökostrom und dem Bedarf an Prozesswärme ausgleichen. Dasselbe gilt auch für die Abstimmung des Prozesswärmebedarfes mit der Verfügbarkeit von Solarwärme oder von Abwärmeressourcen. Die Nutzung von Hochtemperatur-Abwärme in Unternehmen bietet zudem die Möglichkeit der zeitnahen Reduzierung des Einsatzes fossiler Brennstoffe in der Industrie (Abbildung 1).

Bisher werden Hochtemperatur-Wärmespeicher unter Einsatz sensibler Speichermaterialien ausgeführt (z. B. Salzschmelzen oder feste Stoffe wie Metalle, Schamotte, Beton). Die dabei erreichbaren Speicherdichten liegen jedoch unter 1 kWh/(m³ K), d. h. es werden sehr große Temperaturdifferenzen bzw. sehr große Speichervolumina benötigt. Erstere erzeugen signifikante Exergieverluste, die Exergie der Wärme ist ein wichtiges Qualitätskriterium und kennzeichnet deren Arbeitsvermögen, ergo deren Nutzungsflexibilität (bspw. auch für eine Rückverstromung). Latentwärmespeicher nutzen den Phasenwechsel fest/flüssig des Speichermediums (PCM = Phase Change Material) und können so beim Einsatz von Metallen als PCM im Temperaturbereich bis 500 °C Speicherdichten von bis zu 200 kWh/m³ bei moderaten Temperaturdifferenzen realisieren (Abbildung 2). Kommerzielle Lösungen existieren dazu bisher nicht.

Im Projekt soll letztendlich ein Latentwärmespeicher-Demonstrator (TRL 5) entwickelt und getestet werden, der ein metallisches PCM als Speichermedium nutzt. Die hohe Wärmeleitfähigkeit eines Metalls bzw. einer metallischen Legierung erlaubt dabei - im Gegensatz zu allen (!) anderen organischen oder anorganischen PCM - die Kombination einer hohen Speicherdichte (Wärmeinhalt pro Volumen) mit einer ebenfalls hohen Speicherleistung und damit kurzen Zyklenzeiten. Geringe Temperaturdifferenzen und kurze Speicherzyklen stellen eine ideale Kombination im Hinblick auf energetische bzw. exergetische Effizienz und Wirtschaftlichkeit dar. Damit eröffnet sich eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten dieser innovativen Wärmespeicher im Bereich der Prozesswärmeversorgung.

Die Zusammenarbeit des Fraunhofer IFAM Dresden (IFAM) mit der Hochschule Zittau/Görlitz (HSZG) bietet eine ideale Bündelung der fachlichen Kompetenzen im Bereich Werkstoff- und Wärmetechnik für das geplante Projekt. In Bezug auf die Metall-PCM sind grundlegende Untersuchungen zu den thermophysikalischen Stoffeigenschaften und zur Materialkompatibilität erforderlich. Mit Hilfe numerischer Simulationen flankiert von geeigneten Laboruntersuchungen werden Konzepte zur Ausführung der Wärmespeicher untersucht, vornehmlich deren Be- und Entladecharakteristik. Die Arbeiten münden final in die Entwicklung, Fertigung und die experimentelle Validierung und Optimierung eines Speicherdemonstrators im Zittauer Kraftwerkslabor (ZKWL).

Weitere Daten

• Ansprechpartner

  • Herr Prof. Alexander Kratzsch (Projektleitung)
  • Herr Steffen Härtelt

• Fördermittelgeber

  • 100749294 - EFRE/JTF/SAB
  
  
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• Finanzierung

  • 377.775,00 €