The hydrogen and
fuel cell center
ZBT GmbH

Projektabschluss: Latentwärmespeicher für BHKW​

Das Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen und das ZBT haben gemeinsam ein neuartiges Herstellungsverfahren für PCM-Module entwickelt und diese Module in einem Latentwärmespeicher erfolgreich getestet. Im Zusammenspiel zwischen Phasenwechselmaterial und innovativem Speicherlayout konnten eine gegenüber Standardsystemen um ca. 25 % erhöhte Speicherkapazität und eine verbesserte Be- und Entladedynamik erreicht werden, wie experimentelle Untersuchungen am ZBT nachgewiesen haben.

Im Teststand des ZBT konnte die Effizienz des Systems nachgewiesen werden

Der im Projekt entwickelte PCM Modul Stapel

Speicherbehälter für das PCM Modul

Das Projekt "Entwicklung eines Latentwärmespeichersystems mit innovativen PCM-Modulen für den Einsatz in kleinen und mittleren Blockheizkraftwerken" wurde durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert.

Im Rahmen dieses Kooperationsvorhabens zwischen dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) und dem Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen (IPE) wurden ein neuartiger Latentwärmespeicher sowie ein Herstellungsprozess für Phasenwechselmaterial-Module (PCM-Module) entwickelt und erfolgreich demonstriert. Der Speicher wurde in diesem Vorhaben speziell für den Einsatz in KWK-Anwendungen ausgelegt, wobei ein typischer Einsatztemperaturbereich von Blockheizkraftwerken im Bereich von 70 bis 85 °C liegt. Durch den Schmelzvorgang des PCM kann das Material bei nahezu gleichbleibender Temperatur eine signifikante Wärmeenergie entsprechend der Schmelzenthalpie aufnehmen und beim Erstarren gibt das Material im gleichen Temperaturfenster die Wärme wieder ab. Durch diese Eigenschaft kann die Kapazität des innovativen Wärmespeichers gegenüber herkömmlichen, rein sensiblen Wärmespeichern, gesteigert werden. Das verwendete PCM auf Paraffinbasis sowie der Werkstoffe für die Modulhülle wurden im ersten Schritt unter Berücksichtigung der BHKW-typischen Anforderungen, wie z.B. vollständiges Aufschmelzen und Erstarren und der erforderlichen Be- und Entladedynamik ausgewählt und charakterisiert. Die gewonnenen Daten bildeten die Basis für die Gestaltung des Wärmespeichers, die durch theoretische Betrachtungen, Strömungssimulationen und FEM-Methoden begleitet wurde. Für die Herstellung der mit PCM befüllten Module wurden durch den Partner IPE ein innovativer Inline-Befüllprozess sowie eine Fertigungslinie entwickelt und aufgebaut, durch die das Fügen zweier stark unterschiedlicher Werkstoffpartner möglich ist. Das Herstellungs­verfahren verspricht eine kostengünstige Massenproduktion derartiger Module. Für die Demonstration des Speichersystems im Projekt wurden PCM-Module in ausreichender Menge hergestellt. Der durch den Partner ZBT entwickelte Teststand zur Demonstration des Speichersystems besteht im Wesentlichen aus einer Wärmequelle, einem Wärmeauskopplungsmodul, dem Speicher sowie einer Wärmesenke. Die Systemsteuerung ermöglicht die Einstellung BHKW-ähnlicher Betriebsparameter sowie das Monitoring zahlreicher Temperaturmessstellen, Volumenströme und weiterer relevanter Parameter. Durch experimentelle Untersuchungen konnten die Leistungsfähigkeit des neuartigen Latentwärmespeichers ermittelt und die Vorteile gegenüber herkömmlichen sensiblen Wärmespeichern aufgezeigt werden. Eine um ca. 25 % erhöhte Speicherkapazität sowie die Be- und Entladedynamik in Abhängigkeit variierender Austauschraten des Wärmeträgermediums zählen zu den wesentlichen Ergebnissen.

Neben der Stärkung der lokalen Forschung und Entwicklung am Standort Duisburg bietet der Wirtschaftsstandort NRW aufgrund seiner hohen Unternehmensdichte vielseitige Möglichkeiten, die Innovation nach Durchführung eines weiteren Entwicklungsschrittes in das produzierende Gewerbe und in die Anwendung zu transferieren. Sowohl in der Energie- als auch in der Kunststoff-Branche sind zahlreiche Unternehmen in NRW angesiedelt, die von den vorwettbewerblichen Forschungsergebnissen und von den späteren Produkten profitieren. Hierdurch wird insgesamt die Innovationsfähigkeit von NRW-Unternehmen gestärkt.