Thermische Energiespeicher - TES -

Die Arbeitsgruppe Thermische Energiespeicher forscht auf dem Gebiet der Wärme- und Kältespeicherung mit Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) sowie Sorptionsmaterialien. Der Forschungsansatz geht dabei von der Entwicklung und Optimierung einzelner Speichermaterialien und -komponenten bis hin zur Integration von thermischern Energiespeichern in komplexe Energiesysteme. Es werden Speichermaterialien und Speicher für Heiz-/Kühlsysteme, für effiziente Haushaltsgeräte, zur industriellen Abwärmenutzung sowie für Kfz-Anwendungen untersucht.

Wesentliche Schwerpunkte der Arbeiten sind:

  • Entwicklung leistungsfähiger, effizienter und wirtschaftlich zu betreibender Wärme- und Kältespeicher
  • Konstruktion von Speicherkomponenten, Auslegung, Bau, und Monitoring von Demonstrationsanlagen und Lösungen zur Systemintegration
  • Vermessung, Modellierung und Entwicklung von PCM
  • Charakterisierung und Modellierung von Sorptionsmaterialien im offenen System (bei Atmosphärendruck) für Wärmespeicher- und Wärmepumpenanwendungen sowie zur Luftentfeuchtung
  • Forschung an grundlegenden Fragestellungen, z. B. den theoretischen Grenzen der Speicherkapazität sowie zur Zyklenstabilität von Speichermaterialien
  • Simulation von Festbetten bzw. Stoffaustauschflächen bei festen bzw. flüssigen Sorbentien

Ansprechpartner:
Gruppenleiter:
Dr. Stefan Hiebler
Walther-Meißner-Str. 6
85748 Garching
Tel.: +49 89 329442-35
Fax: +49 89 329442-12
stefan.hiebler@zae-bayern.de

Stellv. Gruppenleiter:
Dipl.-Phys. Christoph Rathgeber
Walther-Meißner-Str. 6
85748 Garching
Tel.: +49 89 329442-88
Fax: +49 89 329442-12
christoph.rathgeber@zae-bayern.de

Link zum Gruppenflyer

Leistungen & Ausstattung

Leistungen

  • Kalorimetrische Bestimmung der Wärmespeicherfähigkeit von PCM im Temperaturbereich von 80 bis 1.500 °C
  • Untersuchung der thermischen Zyklenstabilität von PCM im Temperaturbereich von 40 bis 200 °C
  • Vermessung von Wärmeübertragern für Latentwärmespeicher bzw. von Latentwärmespeichersystemen
  • Untersuchung von Kristallstrukturen und Messung von Kristallisationsgeschwindigkeiten
  • Bestimmung der Wasseraufnahmekapazität fester Sorbentien im Temperaturbereich von 20 bis 350 °C bei -15 bis 80 °C Taupunkttemperatur
  • Bestimmung von Temperatur- und Taupunktdurchbruchskurven bei Festbetten fester Sorbentien
  • Untersuchung der thermischen und hydrothermalen Zyklenstabilität fester Sorbentien

Ausstattung

  • Kalorimetrie: DSC, STA, Calvet- sowie T-History-Kalorimeter
    • Temperaturbereich von -80 bis 1.500 °C
    • Probengrößen von ca. 5 mg bis zu 30 g
    • Messungen gemäß Richtlinien der RAL-PCM Gütegemeinschaft PCM e. V.
  • Zyklierapparaturen für Fest-flüssig-PCM
    • Temperaturbereich von -40 bis 200 °C
    • Probengröße ca. 60 ml
    • 2 bis 3 thermische Zyklen pro Tag
  • Teststände zur Charakterisierung von Wärmeübertragern und Latentwärmespeichern
    • Temperaturbereich von -10 bis 95 °C
    • Volumenstrom bis 3 m3/h
    • Thermische Leistung bis 25 kW Heizen/Kühlen
  • Polarisationsmikroskop
    • Programmierbarer Heiztisch für Messungen von -190 bis 400 °C
  • Magnetschwebewaage zur Bestimmung der Wasseraufnahmekapazität fester Sorbentien
    • Temperaturbereich von 20 bis 350 °C bei -15 bis 80 °C Taupunkttemperatur
    • Probengröße: einige Gramm
  • Selbst erstellte Teststände zur Bestimmung der Wasseraufnahmekapazität fester Sorbentien
    • Taupunkttemperaturen von 5 bis 70 °C
    • Umgebungslufttemperatur bis 300 °C
    • Probengröße im Kilogrammbereich
  • Teststand für Stoffaustauschflächen für flüssige Sorbentien
  • Zyklierapparatur für feste Sorbentien
    • Taupunkttemperaturen von 5 bis 70 °C
    • Umgebungslufttemperatur bis 300 °C
    • Probengröße im Bereich mehrerer Hundert Gramm
    • Anpassungen an reale Prozessbedingungen möglich

Projekt-Highlights

coCO2vac –
Entwicklung von Kältespeichermaterialien für den trockeneisfreien Impfstofftransport

Polarisationsmikroskop

Aktuelle Impfstoffe gegen COVID-19 benötigen eine Lagertemperatur von etwa -70 bis -60 °C. Da die Impfstoffe in großer Menge weltweit verteilt werden müssen, ist die Einhaltung dieser Temperaturgrenzen für die Logistik eine besondere Herausforderung. Eine Temperierung mit Trockeneis ist aus Sicherheits- und Umweltschutzgründen kritisch zu sehen und in Frachtflugzeugen stark reglementiert. Zur unterbrechungsfreien und energieeffizienteren Einhaltung der Kühlkette können spezielle Transportbehälter mit Kältespeichermaterialien (Phasenwechselmaterialien, PCM) eingesetzt werden. Im Rahmen des Vorhabens coCO2vac sollen durch die va-Q-tec AG und dem das ZAE Bayern PCM für den Temperaturbereich von -70 bis -60 °C entwickelt werden. Projektinhalte sind die Untersuchung potentzieller PCM im Labormaßstab, das anwendungsnahe Testen der Materialien in Kühlakkus sowie die Überführung der Ergebnisse auf Produktionsskalen. Das Projekt soll eine trockeneisfreie und energieeffiziente Temperierung potentzieller Impfstoffe gegen COVID-19 sowie anderer Pharmaka mit ähnlichen Temperaturanforderungen während Transports und der Lagerung ermöglichen.

Projektleitung: Stefan Hiebler, stefan.hiebler@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 10.12.2020 – 31.12.2021

MINAKRIP –
Keimbildung und Kristallisation bei mikroverkapselten und nanoemulgierten PCM

Simulation: Organische PCM

Eine der grundlegenden Schwierigkeiten, die einen breiteren Einsatz von Latentwärmespeichern auf der Basis von Phasenwechselmaterialien (PCM) verhindern, ist der Effekt der Unterkühlung. Unterkühlung bedeutet, dass die Materialien unter ihre Schmelztemperatur abgekühlt werden können, ohne zu kristallisieren. Im Rahmen des Projektes MINAKRIP wird die heterogene Keimbildung durch Fremdkeime bei PCM untersucht und systematisiert werden. Ziel des Vorhabens ist es, die Keimbildung bei mikroverkapselten und emulgierten PCM zu verbessern und so die Anwendbarkeit dieser Systeme bei der Nutzung verschiedener organischer PCM zu erhöhen. Die dabei verwendeten angewandten Untersuchungsmethoden basieren auf visueller Beurteilung unter Verwendung eines Polarisationsmikroskops sowie molekulardynamischen Simulationen auf atomarer Ebene.

Projektleitung: Stefanie Tafelmeier, stefanie.tafelmeier@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 01.10.2018 – 30.09.2022

AMThES –
Anwendungsorientierte Materialcharakterisierung für thermochemische Energiespeicher

Apparatur

Aktuell findet die Materialforschung und -entwicklung für innovative thermische Energiespeicher oftmals unabhängig von den tatsächlichen Anforderungen konkreter Anwendungen statt. Dabei sind gerade thermochemische Energiespeicher extrem abhängig von den durch die jeweilige Anwendung vorgegebenen Betriebsbedingungen. Die unter Anwendungsbedingungen erzielte Energiespeicherdichte eines thermochemischen Speichermaterials ist oft deutlich geringer als die aus den Gleichgewichtsmessungen berechnete. Im Sinne einer zielorientierten Forschung und Entwicklung ist es daher sinnvoll, frühzeitig Materialien unter tatsächlichen Anwendungsbedingungen zu testen. Ziel des Vorhabens AMThES ist es, für relevante Anwendungen thermischer Energiespeicherung aus dem Gebäude- und Industriebereich geeignete Sorptionsprozesse zu identifizieren. Geeignet bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Speichermaterial die technischen Anforderungen der Anwendung – Speicherkapazität, Lade- und Entladeleistung und Stabilität – über die zu erwartende Zyklenzahl erfüllt und gleichzeitig einen wirtschaftlichen Einsatz ermöglicht. Zusätzlich soll in AMThES eine Arbeitsgruppe der Internationalen Energieagentur IEA im Bereich Energy Storage ECES geleitet werden, die sich mit neuen Speichermaterialien für thermochemische Energiespeicher- und Latentwärmespeicher beschäftigt.

Projektleitung: Christoph Rathgeber, christoph.rathgeber@zae-bayern.de
Andreas Krönauer, andreas.kroenauer@zae-bayern.de
Projektzeitraum: 01.01.2021 – 31.12.2024

ZAE Bayern

Wir betreiben angewandte Forschung an der Schnittstelle zwischen Grundlagen und Industrie. Dort entwickeln wir Methoden und Systeme, die durch intelligente und effiziente Nutzung erneuerbarer Energien CO2-Neutralität ermöglichen und so dem Klimawandel entgegenwirken.

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