PCM-Emulsionen als Alternative zu Wasser

Wasser ist als Wärmeträger etabliert – sei es zur Wärmeübertragung vom Heizkessel zum Heizkörper oder zur Kälteversorgung über Kühldecken. Doch im Projekt Optimus bekommt Wasser Konkurrenz: Forschende am Fraunhofer ISE in Freiburg arbeiten gemeinsam mit Partnern aus der Industrie an PCM-Emulsionen mit hoher Speicherdichte – für Gebäude, Industrieanlagen, Wärmepumpensysteme und auch zur Batteriekühlung in Fahrzeugen.

Stabilisierte Paraffinemulsionen mit hoher Energiedichte

Die entwickelten PCM-Emulsionen bestehen aus Paraffinen, die in Wasser oder einer Wasser-Glykol-Mischung emulgiert werden. Glykol sorgt hier für die nötige Frostsicherheit – ein wichtiges Kriterium vor allem für mobile Anwendungen. Damit die sehr fein verteilten Paraffintröpfchen stabil bleiben, kommen Tenside zum Einsatz. Diese sorgen für die thermisch-mechanische Stabilität der Emulsionen, die die hohe Energiedichte der Paraffine während der Phasenumwandlung von fest zu flüssig nutzen.

„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 werden, also durch Rohrleitungen gepumpt werden. Während des Phasenwechsels nehmen die PCM große Mengen an Wärme auf oder geben sie ab, wobei ihre Temperatur konstant bleibt“, erläutert Stefan Gschwander, Wissenschaftler am Fraunhofer ISE. Im Schmelzbereich des PCM lasse sich bei gleichem Volumen die doppelte Speicherdichte von Wasser erzielen – ein entscheidender Vorteil gegenüber konventionellen Systemen.

Vorteile für Gebäude- und Prozesskühlung

PCM-Emulsionen bringen nicht nur eine hohe Speicherdichte mit sich – sie ermöglichen darüber hinaus auch platzsparendere Anlagenauslegungen. Besonders bei Anwendungen mit geringen Temperaturspreizungen, wie der Gebäudekühlung oder Klimatisierung, zeigen sie ihre Stärken. „Der Einsatz von PCM ist vor allem bei Anwendungen interessant, die nur eine geringe Temperaturspreizung zulassen, beispielsweise der Gebäudekühlung oder Klimatisierung. Konventionelle Klimasysteme mit Wasser als Wärmeträger benötigen hohe Volumenströme und große Speichervolumen. Hier spielen PCM ihren Vorteil aus“, so Gschwander.

Schmelztemperaturen für spezifische Anwendungen

Im Projekt Optimus werden PCM-Emulsionen gezielt für unterschiedliche Einsatzbereiche entwickelt – mit Schmelztemperaturen von 12 bis 18 °C, 20 bis 28 °C sowie 45 bis 50 °C. Damit sind sie flexibel einsetzbar, von der Gebäudeklimatisierung über Industrieanwendungen bis hin zur Batteriekühlung oder Wärmepumpentechnik.

Die entwickelten Emulsionen wurden bereits umfangreich getestet – in einem hydraulischen Testkreis mit Zentrifugalpumpe, verschiedenen Ventilen, einem Membranausgleichsgefäß und einem Plattenwärmeübertrager. Sie bestehen bis zu 100 000 Zyklen. Die Herstellung erfolgte zunächst im Labormaßstab mit Mengen bis zu fünf Litern. Danach wurden die Rezepturen in den Technikumsmaßstab überführt und Mengen von bis zu 100 Litern produziert.

Nächste Schritte: Demonstration im Praxismaßstab

Ein Upscaling der Emulsionen in den Kubikmeter-Maßstab ist gemeinsam mit dem Industriepartner H&R Wax & Specialties GmbH geplant. Ziel ist es, PCM-Emulsionen großtechnisch herzustellen und in Kältespeichern zur Gebäudeklimatisierung oder Prozesskühlung zu demonstrieren.

Zwei konkrete Anwendungsbeispiele sind bereits in Planung: In einem Fall soll während der Heizperiode die Abwärme von Serverräumen eines Gerichtsgebäudes gespeichert und später über die PCM-Emulsion der Zuluft zugeführt werden – zur Beheizung des Gebäudes. In einem zweiten Szenario sollen Spritzgussmaschinen gekühlt werden; die gespeicherte Wärme wird dann nachts mittels freier Kühlung an die kühle Außenluft abgegeben.

„Derzeit optimieren wir unsere Rezepturen, um noch höhere Stabilitäten und Speicherdichten zu erzielen“, sagt Gschwander.

Projekt Optimus – Entwicklung, Optimierung und Anwendung von PCM-Emulsionen mit hoher thermischer Speicherdichte

Das Projekt läuft von Mai 2021 bis April 2026 und wird vom Bundesministerium für Umwelt, Klimaschutz, Naturschutz und nukleare Sicherheit gefördert.

Projektpartner

• Fraunhofer ISE
• H&R Wax & Specialties GmbH
• Hochschule RheinMain
• IKS Industrielle KühlSysteme GmbH
• Konvekta AG

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft