DE102007016738A1

DE102007016738A1 - Neuer Wärmeträger für Solaranlagen

Info

Publication number: DE102007016738A1
Application number: DE102007016738A
Authority: DE
Inventors: Günter E. Prof. Dr. rer. nat. Jeromin; Klemens Prof. Dr.-Ing. Schwarzer
Original assignee: PRO KUEHLSOLE GmbH
Current assignee: Pro Kuehlsole GmbH
Priority date: 2007-04-07
Filing date: 2007-04-07
Publication date: 2008-10-09

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Propylencarbonat als Wärmeträger für Solaranlagen und/oder Wärmepumpen. Der neue Wärmeträger kann rein oder im Gemisch mit weiteren Flüssigkeiten und/oder mit Zusatzstoffen eingesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen Wärmeträger zum Transport von Wärme aus einem Solarwärmeabsorber in einen Wärmespeicher. Der neue Wärmeträger besteht aus Propylencarbonat (Kohlensäurepropylenglykolester, 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on) gegebenenfalls mit Zusätzen oder aus Mischungen, die Propylencarbonat enthalten. Der neue Wärmeträger ist wasserfrei oder nahezu wasserfrei.
Die derzeitigen Energiereserven aus Kohle, Erdöl, Gas, aber auch Uran, sind nicht unendlich lange verfügbar. Die Zunahme von Kohlendioxid in der Atmosphäre durch Verbrennung der fossilen Energieträger, führt aufgrund des Treibhauseffektes zu einem immer stärken Temperaturanstieg auf der Erde, mit den damit zusammenhängenden verheerenden Folgen. Die Nutzung von regenerativen Energien, wie die Windenergie, Wasserkraft und die Solarenergie werden unausweichlich immer wichtiger. Mit zu den wichtigsten natürlichen Energieträgern gehört die Sonne. Eine der Anwendungen, die Sonnenkraft zu nutzen ist es, die Sonnenwärme in einem sogenannten Solarkollektor, in dem sich ein Wärmeträger befindet zu absorbieren. Der Wärmeträger befindet sich in Röhren, wird durch die Sonnenenergie aufgeheizt und fließt dann zu einem Wärmetauscher, der sich in einem Wärmespeichersystem befindet und diesem die Wärme zuführt. Mit dieser Wärme können sodann beispielsweise Räume beheizt oder Brauchwasser erwärmt werden.
Die wichtigsten Anforderungen, die an einen Wärmeträger gestellt werden sind die folgenden:

– Geringe Toxizität
– Ökologisch verträglich
– Temperaturstabil bis über 200°C
– Nicht brennbar oder zumindest mit einem hohen Flammpunkt
– Flüssig bis –30°C
– Niedrige Viskosität bis –30°C um Fließfähigkeit zu garantieren
– Korrosionsfreundlich gegenüber den verwendeten Materialien
– Billig

Die wichtigsten zurzeit im Einsatz befindlichen Wärmträgeflüssigkeiten sind auf Basis von Ethylenglykol und Propylenglykol jeweils im Gemisch mit Wasser.
Von den beiden genannten wird dabei das Propylenglykol aufgrund seiner geringeren Giftigkeit bevorzugt.
Die Nachteile der bisher eingesetzten Wärmeträger sind die folgenden:

– Die ökologische Verträglichkeit ist nicht immer gegeben
– Der hohe Wasseranteil (bis zu 50%) bewirkt, dass ab einer Temperatur von 100°C das System unter Druck läuft, bei Temperaturen über 200°C können bis zu 4 bar und mehr auftreten. Dies bedeutet erhöhte Anforderungen an das Material und geeignete technische Maßnahmen an der Anlage.
– Die Wärmeträger auf Glykolbasis zersetzen sich bei hoher Temperatur
– Temperaturen im hohen Bereich ab etwa 220°C werden nicht mehr ausreichend genutzt
– Wenn Wasser verdampft, kann es zu einem Auskristallisieren der Korrosionsinhibitoren kommen.
– Die Ablagerungen können zu Verstopfungen der Kollektorröhren kommen und können zum Teil nicht mehr entfernt werden.

In DE 195 25 090 wird beschrieben, dass durch Zugabe von bis zu 25% eines höher molekularen Polyalkylenglykols im Massenbereich von 195–400 die Zersetzung des Wärmeträgers vermindert wird. Da aber immer noch teilweise Zersetzung mit all den für die Anlage nachteiligen Folgen auftritt wird in DE 198 30 493 ein Wärmeträger beschrieben, der aus Tri- und/oder Tetraethylenglykol im Gemisch mit 1,2-Propylenglykol und/oder Ethylenglykol sowie Korrosionsinhibitoren und 45% bis 55% Wasser besteht. Obwohl dieser neue Wärmeträger im Vergleich zu herkömmlichen auf Propylenglykol/Wasser – Basis in den beschriebenen Beispielen besser abschneidet, besteht nach wie vor das Problem, dass die Wärmeträger einen hohen Anteil Wasser besitzen, und die Solaranlagen damit ab einer Temperatur von über 100°C unter hohem Druck stehen, was letzten Endes zu großen technischen Problemen bei der Auslegung der Anlagen und im Betrieb führen kann.
Handelsübliche Wärmeträger, die ebenfalls auf nichtwässriger Basis beruhen, können zwar bis auf über 240°C erhitzt werden, haben aber häufig die Nachteile der hohen Viskosität bei niedrigen Temperaturen oder sind zusätzlich, wenn sie auf Mineralöl basieren oft wassergefährdend und haben einen zu hohen Schmelzpunkt. Insgesamt sind Wärmeträgerflüssigkeiten auf Mineralölbasis nicht sehr wünschenswert, weil sie beim Austreten von Flüssigkeit schwer zu entfernen sind, da sie nicht wassermischbar sind.
Es bestand somit im Hinblick auf die künftige bessere Nutzung der Sonnenenergie die dringende Aufgabe, ein neues Mittel zum Transport von Wärme aus einem Solarabsorber in einen Wärmespeicher zu finden, das nicht die genannten Nachteile besitzt. Dieses ist mit dem Propylencarbonat gefunden. Der Einsatz als Wärmeträgerflüssigkeit in Solaranlagen von Propylencarbonat sowie Mischungen, die Propylencarbonat enthalten ist neu.
Das sich Propylencarbonat als Wärmeträgerflüssigkeit in Solaranlagen eignet war auch für den Fachmann nicht vorhersehbar und somit überraschend.
Propylencarbonat ist eine vielseitig eingesetzte Chemikalie. Hauptsächlich wird es als Lösungsmittel eingesetzt. Beispielweise für Harze, für Polymere wie Polyacrylfasern und Nylon ( Brit. Pat. 645033 , 1950), für die selektive Extraktion von Kohlenwasserstoffen ( USP 2918486 , 1959), für die Extraktion von Phenolen ( Russ. Pat. 172823 , 1964), für die Absorption von Gasen wie CO2 ( USP 2926751 , 1960) u. a. m. Außerdem findet es sich in Lithium-Akkumulatoren und in Arzneimitteln als Lösungsmittel.
Propylencarbonat, 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on besitzt die folgenden vorteilhaften Eigenschaften, die es als Wärmeträger sehr geeignet machen:

– ist nicht toxisch
– es gibt keine ökologischen Probleme auf
– es besitzt einen niedrigen Schmelzpunkt von ca. –48°C
– es besitzt einen hohen Siedepunkt von ca. 242°C
– es besitzt einen hohen Flammpunkt und einen sehr hohen Zündpunkt
– es besitzt wie wir feststellten eine geringe Viskosität auch bei niedrigen Temperaturen
– es zersetzt sich praktisch nicht, auch bei hohen Temperaturen
– es besitzt eine gut Wärmekapazität, die sich mit geeigneten Mischungspartnern noch steigern lässt
– es ist mit Wasser mischbar
– es ist billig und leicht verfügbar

Die folgenden Abbildungen zeigen die Daten von Propylencarbonat im Vergleich zu einem handelsüblichen Wärmeträger bestehend aus Propylenglykol/Wasser Gemisch im Verhältnis 50:50.
Abb. 1 Dichte von Propylencarbonat
Abb. 2 Viskosität von Propylencarbonat
Abb. 3. Spezifische Wärmekapazität von Propylencarbonat
Abb. 4. Dichte einer 50:50 Mischung Propylenglykol:Wasser
Abb. 5. Viskosität einer 50:50 Mischung Propylenglykol:Wasser
Abb. 6. Spez. Wärmekapazität einer 50:50 Mischung Propylenglykol:Wasser
Die Werte für Propylencarbonat sind in fast allen Punkten besser als das handelsübliche Gemisch aus Propylenglykol/Wasser. Die geringere Wärmekapazität des Propylencarbonats verglichen mit der Mischung aus Propylenglykol/Wasser stellt keinen besonderen Nachteil dar, da dieses durch Erhöhung des Volumenstroms des Wärmeträgers ausgeglichen werden kann.
Besonders vorteilhaft ist, dass Propylencarbonat auch bei hohen Temperaturen in der Solaranlage keinen Druck aufbaut, was es ermöglicht, Solaranlagen, die mit Propylencarbonat als Wärmeträger arbeiten weit einfacher zu bauen sind und damit kostengünstiger sein werden als die herkömmlichen. Dies erhöht die Betriebssicherheit der Anlagen besonders in den heißen Sommermonaten in denen die Anlagen oft in den Bereich der Stillstandstemperaturen der Kollektoren kommen. Besonders vorteilhaft ist zudem, dass der neue erfindungsgemäße Wärmeträger nur zu geringer Korrosion im Leitungssystem der Solaranlage führt.
Überraschenderweise wurde außerdem gefunden, dass die Wärmekapazität des Propylencarbonats erhöht werden kann, wenn man zu diesem eine geeignete zweite Flüssigkeit mischt.
So wurde gefunden, dass sich die Wärmekapazität bei einem 5:1 Gemisch aus Propylencarbonat:Phenylethanol im Schnitt von 2.1 J/K·g auf 2,9 J/K·g erhöht hat.
Abb. 7 Spez. Wärmekapazität einer 5:1 Mischung Propylenglykol:Phenylethanol
Außerdem wurde gefunden, dass sich der neue Wärmeträger gut mit ionischen Flüssigkeiten mischen lässt.
Vorteilhafterweise lässt sich der neue Wärmeträger Propylencarbonat auch als Wärmeträger in Wärmepumpen einsetzen, insbesondere auch in Wasserschutzgebieten da er nur geringe wasserschutzgefährdende Eigenschaften hat.
Der neue Wärmeträger stellt somit einen erheblichen technischen Fortschritt gegenüber den bisher bekannten Wärmträgern dar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19525090 [0007]
- DE 19830493 [0007]
- GB 645033 [0011]
- US 2918486 [0011]
- RU 172823 [0011]
- US 2926751 [0011]

Claims

Wärmeträgerflüssigkeit für thermische Solaranlagen dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Propylencarbonat (Kohlensäurepropylenglykolester, 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on) besteht.
Wärmeträgerflüssigkeit für thermische Solaranlagen dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Propylencarbonat (Kohlensäurepropylenglykolester, 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on) und Zusatzstoffen besteht.
Wärmeträgerflüssigkeit für thermische Solaranlagen die Propylencarbonat (Kohlensäurepropylenglykolester, 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on) als Bestandteil enthält.
Wärmeträgerflüssigkeit für Wärmepumpen dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Propylencarbonat (Kohlensäurepropylenglykolester, 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on) besteht.
Wärmeträgerflüssigkeit für Wärmepumpen dadurch gekennzeichnet, dass diese aus Propylencarbonat (Kohlensäurepropylenglykolester, 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on) und Zusatzstoffen besteht.
Wärmeträgerflüssigkeit für Wärmepumpen die Propylencarbonat (Kohlensäurepropylenglykolester, 4-Methyl-1,3-dioxolan-2-on) als Bestandteil enthält.