DE102009029793A1

DE102009029793A1 - Thermischer Akkumulator, Verfahren zur Herstellung eines thermischen Akkumulators und Verfahren zur Energiewirtschaft

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Publication number: DE102009029793A1
Application number: DE102009029793A
Authority: DE
Original assignee: Individual
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Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2010-12-23

Abstract

Es wird ein thermischer Akkumulator 1 vorgestellt, der einen zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger 2 und eine metallische Behausung 3 aufweist und sich durch besonders hohen Wirkungsgrad und flexible Einsatzmöglichkeiten auszeichnet. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen thermischen Akkumulators 1 und ein Verfahren zur Energiewirtschaft offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermischen Akkumulator der einen zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger und eine metallische Behausung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines thermischen Akkumulators, der einen zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger und eine metallische Behausung aufweist.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Energiewirtschaft.
Unter einem thermischen Akkumulator wird in der folgenden Schrift ein Gegenstand verstanden, der einen zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe thermischer Energie geeigneten Energieträger aufweist. Der Akkumulator kann mit Verbrauchern in Wirkverbindung stehen. Dabei kann unter einem Verbraucher eine Vorrichtung oder eine Anlage, sowie eine begrenzte oder unbegrenzte Umgebung verstanden werden.
Unter zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträgern werden in der folgenden Schrift alle Energieträger verstanden, die in einem definierten Arbeitsbereich ihren Aggregatzustand unter Bindung oder Freigabe erhöhter Energiemengen wechseln. Dabei beschränkt sich die vorliegende Erfindung auf latente Energieträger, die zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe thermischer Energie geeignet sind, zwischen einem festen und einem flüssigen Aggregatzustand zu wechseln. Dabei kann es sich mit besonderem Vorteil um wässrige Systeme der Anorganik, wie z. B. Salzhydrate oder auch Salze in Reinform, Salzgemische und deren Eutektika, als auch organische Systeme, wie beispielsweise Paraffine und deren Mischungen handeln. Daneben kann es auch von besonderem Vorteil sein, wenn den zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträgern, Bestandteile mit hoher energetischer Leitfähigkeit beigefügt, sind. Dabei kann es sich insbesondere um, vorzugsweise in Pulverform beigemischten Metall-, Kohlefaser- oder Graphitbestandteilen handeln. Ebenso kann es von Vorteil sein, wenn Kristallisationsbeschleuniger oder Keimbildner, beispielsweise diverse Metalloxide beigemengt sind.
Die Entwicklung von kostengünstigen, effizienten und umweltfreundlichen Medien und Technologien zur thermischen Energiewirtschaft übt eine wichtige Funktion für die weitere Entwicklung praktizierbarer klimafreundlicher Energiewirtschaftskonzepte aus. Dabei spielt in vielen Prozessen die Nutzung vorhandener Energien eine wesentliche Rolle zur Senkung von Kosten und umweltschädlichen Einflüssen. Konkret sind neben der Energiegewinnung also auch Problemfelder bei der Energiespeicherung und bei der zur Verfügungstellung gespeicherter Energie zu bearbeiten. Einen Ansatz dazu bietet die technische Nutzbarmachung der oben bereits definierten, zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger. Diese werden im Allgemeinen als PCM (Phase Change Material) bezeichnet. Zur technischen Nutzbarkeit von auf PCM basierenden, thermischen Akkumulatoren, muss jedoch stets ein Kompromiss zwischen der Phasenwechselbeständigkeit, der Energiespeicherkapazität, dem Kostenfaktor und der Energieleitfähigkeit eingegangen werden.
Dabei wird unter der Phasenwechselbeständigkeit ein Qualitätsmerkmal verstanden, dass eine Aussage über die Prozesswiederholgenauigkeit und den Gesamtzeitraum der technischen Nutzbarkeit eines Akkumulators zulässt.
Während für die wirtschaftliche Nutzung der Kostenfaktor unter Berücksichtigung des möglichen Nutzungszeitraums von besonderer Bedeutung ist, sind die entscheidenden Kenngrößen für den oder die Verbraucher die Energiespeicherkapazität und die Energieleitfähigkeit. Die Energiespeicherkapazität gibt ein Maß dafür an, welche Energiemenge in einem Akkumulator speicherbar ist. Die Energieleitfähigkeit gibt an, wie viel Energie in einem vorgegebenen Zeitraum vom Akkumulator aufnehmbar beziehungsweise abgebbar ist.
Nach Stand der Technik besitzen die Mehrzahl auf PCM basierenden thermischen Akkumulatoren zwar ausreichende Energiespeicherkapazität, das heißt thermische Speicherkapazitäten und sind zudem auch beispielsweise als Salz kostengünstig und in ausreichender Menge als Rohstoff zu beschaffen, haben allerdings eine viel zu geringe Energieleitfähigkeit, um einen Speicher in ausreichender Schnelligkeit auf- und entladen zu können.
Zur Verbesserung der thermischen Energieleitfähigkeit von PCM-Werkstoffen und darauf aufbauenden Akkumulatoren ist die Legierung mit thermisch hochleitfähigen Werkstoffen bekannt. Beispielsweise hat das DLR-Institut in Zusammenarbeit mit der SGL Carbon Technologie GmbH eine Methode entwickelt, bei der expandiertes Graphit mit einer sehr großen Oberfläche unter hohem Druck mit einer niedrigviskosen Salzschmelze verpresst wird. Dabei wird das Graphit, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, von der Salzschmelze benetzt. Die Wärmeleitfähigkeit des PCM-Verbundmaterials kann somit wesentlich verbessert werden. Dabei verringert sich jedoch die thermische Speicherkapazität. Das PCM Verbundmaterial muss zudem in sehr aufwendigen Verfahrensschritten hergestellt und nach Ablauf der technischen Verwendbarkeit wieder aufwendig getrennt werden. Darüber hinaus ist die Auswahlmöglichkeit wirkungsvoll benetzbarer PCM Werkstoffe begrenzt und erstreckt sich größtenteils auf giftige Basisstoffe, was Einsatz- und Recycelfähigkeit stark eingrenzt.
Auch die zur Verfügungstellung geeigneter Speicherbehältnisse für PCM-Werkstoffe beziehungsweise PCM-Verbundwerkstoffe wirft weitere Problemfelder auf:
Mit der Änderung des Energiezustandes ändert sich auch werkstoffabhängig das Volumen eines Körpers. Da bei latenten Speicherwerkstoffen der Aggregatzustandswechsel zwischen festem und flüssigem Zustand von Bedeutung ist, entstehen erhebliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Volumenänderung. Den daraus resultierenden Spannungen wird nach Stand der Technik regelmäßig mit dickwandig dimensionierten und kostenintensiven Speicherbehältnissen begegnet. Auf vorgegebenem Bauvolumen reduziert sich damit jedoch wieder der Anteil des wirksamen Energieträgers und damit sinkt die Effektivität eines solchen Akkumulators.
Daneben besteht die Gefahr, dass sich in einem großen Speicherbehältnis befindliche Energieträger entmischen und damit an Wirksamkeit verlieren.
Schließlich müssen die nach Stand der Technik bekannten PCM basierten Akkumulatoren zur Abdeckung eines erweiterten Temperaturprofils als System mehrerer Einzelbatterien unterschiedlichen Temperaturprofils ausgelegt werden, da die angesprochene Gefahr der Entmischung innerhalb eines einzelnen Akkumulators ansonsten zu hoch ist. Diese Anlagen sind dann zwar in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar, weisen in einem speziellen Temperaturbereich jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad auf, da ein mehr oder weniger großer Anteil der Anlage außerhalb des für ihn vorgesehenen Betriebsbereichs arbeitet. Zusammengefasst kann gesagt werden, dass die nach dem Stand der Technik bekannten, auf Latenten Energieträgern basierenden thermischen Akkumulatoren und darauf aufbauende Anlagen aufgrund zu geringer Rentabilität kaum wirtschaftliches und großtechnisches Umsetzungspotential aufweisen.
Der Erfindung liegt vorichtungsgemäß die Aufgabe zu Grunde einen thermischen Akkumulator der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, das heißt neben einer hohen Energiespeicherkapazität auch eine hohe Energieleitfähigkeit besitzt, kostengünstig herstellbar und in verschiedenen technischen Gebieten einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der thermische Akkumulator einen mittleren Querschnitt von 0.39 mm² bis 90 cm², bevorzugt von 12 mm² bis 55 cm², ganz bevorzugt von 20 mm² bis 35 cm² aufweist.
Ein solcher thermischer Akkumulator weist aufgrund seiner, vergleichsweise großen Mantelfläche der metallischen Behausung neben einer, volumenbezogen hohen Energiespeicherkapazität auch eine gute Energieleitfähigkeit auf. Darüber hinaus ist er kostengünstig herstellbar, gut handhabbar und dosierbar, wodurch er in besonders vielen technischen Gebieten einsetzbar ist.
Darüber hinaus weisen Körper mit den genannten Volumenmaßen sehr gute Keimbildungsvoraussetzungen auf, die die Grundlage für eine gleichmäßige Kristallisierung bilden.
In vorteilhafter Weise ist zwischen dem zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger und der metallischen Behausung eine Zwischenschicht ausgebildet.
Dabei kann eine Zwischenschicht verschiedenartig ausgebildet sein und beispielsweise als Haftvermittler zwischen dem Energieträger und der metallischen Behausung fungieren. Um einer zu hohen Energieleitfähigkeit entgegenzuwirken, ist die Zwischenschicht in einem anderen Fall als Isolator ausbildbar. Ebenso ist eine spannungsmildernde Zwischenschicht denkbar. Durch eine Spannungsmildernde Zwischenschicht sind beispielsweise relativ große Volumenänderungen mit relativ geringem Spannungsänderungen vollziehbar. Auf diese Weise sind die sich auf Grund der Volumenänderungsarbeit des thermischen Energieträgers ausbildenden Spannungen besonders gut kompensierbar.
In einem besonders vorteilhaften Fall ist die Zwischenschicht aus mindestens einem anorganischen Stoff, insbesondere einem Metall, einem keramischen Werkstoff oder einem Silikat, beispielsweise einem Carbonat ausgebildet.
In einem anderen, besonders vorteilhaften Fall ist die Zwischenschicht aus mindestens einer Substanz einer organischen Verbindung, also einer Kohlenstoffverbindung, ausgebildet.
Eine derartig ausgebildete Zwischenschicht kann sowohl bei der Herstellung, wie auch beim Einsatz prozessbegünstigend wirksam sein.
Es versteht sich von selbst, dass ebenso sinnvolle Kombinationen der vorgenannten Merkmale denkbar sind. Dabei kann die Zwischenschicht aus einem homogenen Verbundwerkstoff oder aus mehreren, benachbarten Zwischenschichten bestehen.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die metallische Behausung mindestens in Teilbereichen, insbesondere in ihrem äußeren oder inneren Randbereich, ein gehärtetes Gefüge aufweist.
Eine solche Behausung ist auch bei geringem Gesamtvolumenanteil besonders gut in der Lage, den hohen thermischen Spannungen innerhalb des thermischen Akkumulators entgegenzuwirken. Auf diese Weise weist ein solcher Art ausgestalteter Akkumulator einen besonders hohen Volumenanteil des Energieträgers auf, wodurch bei geringem.
Gewicht und geringen Kosten einen besonders hoher Wirkungsgrad erzielbar ist.
In einer vorteilhaften Ausführung weist der thermische Akkumulator im Wesentlichen eine Kugelform auf.
Auf diese Weise ist dafür gesorgt, dass die auftretenden Kräfte der metallischen Behausung lediglich in Form von linearen Zug- und Druckspannungen auftreten. In Folge der weitgehend gleichmäßigen Flächenpressung auf die Behausung sind abermals geringere Wandstärken und gleichsam höhere Wirkungsgrade erzielbar.
Dagegen kann es in einem anderen Fall von Vorteil sein, dass der thermische Akkumulator eine von der Kugelform abweichende Form, etwa eine Kristall-, Stab-, Oval-, Kalotten-, Symmetrische-, Chaotische-Röhrchen- oder Tropfenform, aufweist.
Dabei kann insbesondere eine größere zu erzielende Oberfläche oder eine bessere Verbindbarkeit mit umgebenden Körpern im Vordergrund stehen. Ebenso sind Kostengründe bei der Herstellung denkbar.
Im Weiteren kann eine von der Kugelform, abweichende Form, einen günstigen Herstellungsprozess zulassen. Der damit einhergehende Verlust des Wirkungsgrades aufgrund der, gegenüber der Kugelform, nötigen höheren Wandstärken der metallischen Behausung ist fallweise gegen die geringeren Anschaffungskosten abzuwägen.
Es ist von besonderem Vorteil, wenn das Volumen der metallischen Behausung zwischen 0,5% und 25%, bevorzugt zwischen 1% und 20%, ganz bevorzugt zwischen 3% und 15% beträgt.
Auf diese Weise ist ein hoher Volumenanteil des Energieträgers erzielbar und als Voraussetzung für eine hohe Energieleitfähigkeit auch eine gute Austauschbarkeit mit der Umgebung und ein rasches Ansprechen des Akkumulators gewährleistet. Dabei sind mit den genannten Volumenanteilen der metallischen Behausung gewünschte Stabilitäten und die Voraussetzung möglicherweise anschließender Fügungsprozesse erreichbar.
Ferner kann es von Vorteil sein, wenn der Schmelzpunkt des zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträgers in einem Bereich zwischen –50°C und 500°C, bevorzugt zwischen –5°C und 300°C, ganz bevorzugt zwischen –1°C und 240°C, liegt.
Ein solcher thermischer Akkumulator ist für ein breit gefächertes und in besonders bevorzugten Bereichen für besonders wichtige technische Einsatzgebiete geeignet.
Insbesondere sind mit den genannten Bereichen Einsatzbedingungen in der thermischen Energiewirtschaft, insbesondere in der Klimatechnik erfüllbar. Beispielsweise, aber nicht erschöpfend, ist ein solcher thermischer Akkumulator zur Erwärmung oder Kühlung von Gebäuden, Laboren, Treibhäusern oder zur Vergleichmäßigung der Energiebereitstellung, beziehungsweise zur Erhöhung des Wirkungsgrades in Kraftwerken einsetzbar.
Vorzugsweise ist die metallische Behausung einteilig ausgeführt.
Ein solcher thermischer Akkumulator lässt sich in automatisierter Weise herstellen. Bei geeigneten Fertigungsprozessen ist eine kostengünstige Massenfertigung sehr leicht möglich. Darüber hinaus ist ein solcher thermischer Akkumulator einfach zu handhaben, und deshalb gut dosierbar und in vielen Bereichen einsetzbar.
Vorzugsweise ist die metallische Behausung nahtlos ausgeführt.
Dadurch wird der thermische Akkumulator besonders homogen ausgestaltet und läßt sich unkompliziert auch in chaotischen Fertigungsprozessen fügen, wobei keine spezielle Ausrichtung zu beachten ist. Darüber hinaus ist auf diese Weise eine besonders hohe Stabilität erreichbar, da eine nahtlos gestaltete Behausung keine Schwachstelle zeigt und von Grund auf die Gefahr von Dauerbruchstellen im langen Alltagsgebrauch, wie sie etwa häufig bei geklebten, geschraubten, genieteten, verpressten, gefalteten oder gebördelten, geschweißten oder gelöteten Verbindungen auftreten, eliminiert.
Der Akkumulator weist eine besonders hohe und gleichmäßige Energieleitfähigkeit auf, da die gesamte Mantelfläche der metallischen Behausung homogen gestaltbar ist.
Aufgrund der nahtlosen Umhüllung ist der thermische Energieträger besonders gut gegen äußere Einflüsse geschützt und chemisch praktisch vollkommen innert.
Bevorzugt beherbergt der thermische Akkumulator eine detektierbare Kenntlichmachung des Schmelzpunkts des zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträgers.
Eine solche Kenntlichmachung kann in einem einfachen Fall aus einer Farbgebung der Behausung bestehen und über eine Sichtkontrolle ermittelt werden. Dabei kann die Sichtkontrolle durch einen Menschen oder automatisiert durch eine bildverarbeitende Einheit erfolgen. Es sind auch Kenntlichmachungen auf elektronischer, mechanischer oder magnetischer Basis denkbar. Dazu ist beispielsweise die mechanische Oberflächenbeschaffenheit zuordnungsbar oder es sind mehr oder weniger stark magnetisierbare metallische Behausungen vorzusehen.
Somit ist ein thermischer Akkumulator besonders gut verschiedenen Betriebsbedingungen zuordnungsbar. Insbesondere ist eine Abstimmung auf unterschiedliche Temperatureinsatzgebiete einfach möglich. Schließlich wird die Qualitätssicherung einzelner Produktions- und Prozessabläufe vereinfacht.
Es ist von Vorteil, wenn der thermische Akkumulator mit mindestens einem weiteren gleichen oder ähnlichen thermischen Akkumulator, vorzugsweise mit einer Vielzahl von gleichen oder ähnlichen thermischen Akkumulatoren, ganz besonders vorzugsweise in Form eines Kalottenmodells, fügbar ist.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger, der mit einander zusammengefügten thermischen Akkumulatoren gleiche oder unterschiedliche Schmelzpunkte/Erstarrungspunkte, aufweisen.
Auf diese Weise sind die, einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden thermischen Akkumulatoren, zu gemeinsamen Wirkeinheiten verbindbar. Eine solche Wirkeinheit kann dann wie ein großer thermischer Akkumulator betrachtet werden, der die Eigenschaften seiner Bestandteile, also der einzelnen Akkumulatoren, bindet. Insbesondere sind so eine hohe Energiespeicherkapazität und gleichzeitig eine hohe Energieleitfähigkeit erreichbar.
Das Fügen der einzelnen Akkumulatoren ist dabei durch unterschiedliche Fügeverfahren erreichbar. Beispielhaft, aber nicht einschränkend, sind hier thermische Verfahren oder Klebeverfahren zu nennen. Im Sinne dieser Patentschrift wird unter gefügten thermischen Akkumulatoren im weitesten Sinne aber auch eine lose Ansammlung in einer mindestens einseitig begrenzten Umgebung verstanden.
Werden dazu Energieträger mit unterschiedlichen Schmelzpunkten verwendet, wächst die Bandbreite des Betriebsbereichs, insbesondere ist ein derartiges Gefüge über einen größeren Temperaturbereich einsetzbar. Hierbei sind auch vorhergesehene oder unvorhergesehene Spitzenleistungen einer Anlage pufferbar, wodurch auch die Sicherheit im Betrieb steigerbar ist.
Werden dagegen ausschließlich Energieträger mit gleichem oder ähnlichem Schmelzpunkt verwendet, ist in einem definierten Betriebsbereich, insbesondere Temperaturbereich, ein besonders hoher Wirkungsgrad erreichbar.
Aufgrund der weitreichend unbegrenzten Kombinationsmöglichkeiten ist eine beliebige Ansammlung, gefügter oder ungefügter Akkumulatoren, besonders gut an definierte Betriebsvorgaben anpassbar und somit auch sehr gut in bestehende Anlagen nachrüstbar.
Der Erfindung liegt gemäß einem Verfahren zur Herstellung eines thermischen Akkumulators die Aufgabe zu Grunde einen thermischen Akkumulator der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, das heißt neben einer hohen Energiespeicherkapazität auch eine hohe Energieleitfähigkeit besitzt, kostengünstig herstellbar, und in verschiedenen technischen Gebieten einsetzbar, ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines thermischen Akkumulators der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der zur latenten Energiespeicherung geeignete Energieträger im zumindest teilkristallinen Zustand behaust wird.
Auf diese Weise können besonders gleichmäßige Behausungen aufgebracht werden. Auch läßt sich die Wandstärke, beziehungsweise Schichtdicke der Behausung sehr exakt definieren. Dennoch können auch kostengünstige Rahmenbedingungen während des Herstellungsprozesses genutzt werden.
Der Energieträger weist, wie bereits oben beschrieben, im kristallinen Zustand seine höchste Raumausdehnung auf. Zur Vermeidung von übermäßigen Spannungen ist es deshalb von besonderem Vorteil, wenn der zur latenten Energiespeicherung geeignete Energieträger im kristallinen Zustand behaust wird.
Es ist von Vorteil, wenn der zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger vor seiner Behausung vertropft wird.
Durch eine Vertropfung nimmt der zur latenten Energiespeicherung geeignete Energieträger auf einfache und sehr kostengünstige Weise eine nahezu vollkommen kugelförmige Form ein. Dabei können das Volumen der entstehenden Kugel und der Grad der Auskristallisierung mit einfachen Mitteln festgelegt oder variiert werden. Beispielsweise können dazu die das Umgebungsmedium, die Fallhöhe und/oder die Temperatur eingestellt werden. Als Umgebungsmedium kommen Gase in Reinform, etwa Sauerstoff oder Kohlendioxid, oder in Mischform, etwa Luft in Frage. Ebenso kommen flüssige Fluide, wie Wasser oder bestimmte Öle in Frage. Bevorzugte Fallhöhe liegen zwischen 0,5 m und 50 m, besonders bevorzugte Fallhöhen zwischen 2 m und 30 m. Bevorzugte Umgebungstemperaturen sind derart gewählt, dass die zu erzeugenden Kugeln zumindest einen teilkristallinen Zustand erreichen. Häufig ist es sinnvoll, auch die Temperatur derart auf den zur latenten Energiespeicherung und die anderen genannten Einflussfaktoren abzustimmen, dass die erzeugten Kugeln nach der Vertropfung einen vollkristallinen Zustand erreichen.
Unter einem Kontiverfahren wird im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Herstellung jedes Verfahren verstanden, bei dem die herzustellenden thermischen Akkumulatoren kontinuierlich verschiedene Verfahrensschritte durchlaufen.
Unter einem Batchverfahren versteht die Schrift dagegen diskontinuierliches Verfahren, wobei es aber fallweise möglich ist, dass mehrere unterschiedliche Teilschritte nacheinander im selben Reaktionsbehälter durchgeführt werden können.
Bei einem Verfahren zur Energiewirtschaft liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, in verschiedenen technischen Einsatzgebieten einen thermischen Akkumulator der eingangs genannten Art mit einem hohen Wirkungsgrad zu benutzen.
Die Aufgabe der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Energiewirtschaft, dadurch gelöst, dass ein thermischer Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angewendet wird.
Unter Verwendung eines thermischen Akkumulators nach einem der Ansprüche 1 bis 12 sind auf Verfahren zur thermischen Energiewirtschaft auf unkomplizierte und kostengünstige Weise hinsichtlich der Ausnutzung zur Verfügung stehender Energiemengen wesentlich zu verbessern.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung(en) näher erläutert. In dieser zeigt
1 einer teilweise geschnittenen Darstellung eines einteiligen und nahtlos ausgeführten thermischen Akkumulators
2 ein Kalottenmodel als Beispiel einer definierten oder undefinierten Anzahl zusammengefügter einzelner thermischer Akkumulatoren
In der 1 ist ein einzelner thermischer Akkumulator 1 dargestellt, der einen zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger 2 aufweist, der im dargestellten Fall durch eine nahtlos ausgeführte, metallische Behausung 3 räumlich definiert ist. Die metallische Behausung 3 nimmt hier unter 20% des Gesamtvolumens, des kugelförmig ausgebildeten, thermischen Akkumulators 1 ein, wobei der Durchmesser zwischen 1 mm und 75 mm beträgt. Im äußeren Randbereich 6 der Behausung 3 ist ein gehärtetes Gefüge ausgebildet.
In 2 ist ein Kalottenmodel 7 als Beispiel gefügter einzelner thermischer Akkumulatoren 1 abgebildet. Ein solches Kalottenmodel 7 beinhaltet dabei beispielsweise zwischen 5 und 15000 einzelner thermischer Akkumulatoren 1. Im dargestellten Fall etwa 60 bis 90. Die Durchmesser der einzelnen thermischen Akkumulatoren 1 sind in der dargestellten Ausführung etwa gleichmäßig ausgebildet und betragen ca. 7 mm bis 9 mm. Jedoch sind die Schmelzpunkte ihrer jeweiligen Energieträger 2, und damit ihre Arbeitsbereiche, leicht unterschiedlich ausgebildet und so gewählt, dass sie sich im vorwiegend gewünschten Einsatzbereich konzentrieren. Dazu sind insbesondere auch Überschneidungen der Arbeitsbereiche denkbar.
Dabei entstand das Kalottenmodell 7 in einem mindestens abschnittsweise kontinuierlichen Herstellungsverfahren. Dazu wurde zunächst der zur latenten Energiespeicherung geeignete Energieträger 2 verflüssigt und anschließend vertropft. Dazu wurde eine Fallhöhe von etwa 20 Metern überwunden. Als Umgebungsmedium diente Luft, die deutlich unter der Kristallisationstemperatur des Energieträgers 2 lag und sich mit etwa 0,5 m/s im Raum bewegte.
Die in Kugelform auskristallisierten Energieträger 2 fallen dann auf ein Förderband, dass eine geeignete Oberfläche aufweist und werden in diesem Prozessschritt zunächst mit einem metallischen Pulver ummantelt. Dabei können geeignete Haftvermittler Einsatz finden. Anschließend wird die metallische Behausung 3 durch kurzzeitiges, induktives Schmelzen des Metallpulvers erreicht. In besonders ökonomischen Verfahren verschmelzen dabei gleich mehrere thermische Akkumulatoren 1 zu einem gemeinsamen Kalottenmodel 7.
In einem anderen Verfahren kann beispielsweise in gesättigte wässrige Lösungen vertropft werden und ein kontinuierlicher Betrieb durch eine entsprechende Strömungsgeschwindigkeit im unteren Bereich des, die Fallstrecke bildenden Behälters, gewährleistet werden. Die thermischen Akkumulatoren 1 können dann auch durch Siebe, Kanäle, Membranen oder Ähnlichem vereinzelt werden. Die metallische Behausung 3 ist dann durch geeignete Coatingverfahren sehr exakt aufbringbar.
Thermische Akkumulatoren 1 beispielsweise nach 1 beziehungsweise deren Gefüge beispielsweise als Kalottenmodel 7 nach 2 werden in Verfahren zur Energiewirtschaft verwendet. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie im Zusammenhang mit der Energiegewinnung aus alternativen Energiequellen, insbesondere in Strahlungswandlern oder Wärmetauschern, wie beispielsweise in Verbindung mit Sonnenenergie, Erdwärme oder Wasserwärme, Einsatz finden, oder ob sie über den Energiehaushalt den Wirkungsgrad konventioneller Energieanlagen, wie beispielsweise Brennkammern, verbessern.
Die Wirkungsweise ist vom Einsatzgebiet weitgehend unabhängig.
Spezielle Einsatzgebiete können beispielsweise, jedoch nicht erschöpfend, in der industriellen Energiegewinnung, in Energierückgewinnungsanlagen, beispielsweise im Zusammenhang mit Abwärme, in Kraftwerken oder in privaten Haushalten liegen.
Von der dargestellten Ausführungsform kann in vielfacher Hinsicht abgewichen werden, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.

1: Thermischer Akkumulator
2: Energieträger
3: Behausung
4: Zwischenschicht
5: Randbereich (innen)
6: Randbereich (außen)
7: Kalottenmodel (gefügte Anzahl thermischer Akkumulatoren)
A: Querschnitt

Claims

Thermischer Akkumulator (1) der einen zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger (2) und eine metallische Behausung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Akkumulator (1) einen mittleren Querschnitt (A) von 0.39 mm² bis 90 cm², bevorzugt von 12 mm² bis 55 cm², ganz bevorzugt von 20 mm² bis 35 cm² aufweist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger (2) und der metallischen Behausung (3) eine Zwischenschicht (4) ausgebildet ist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Behausung (3) mindestens in Teilbereichen, insbesondere in ihrem äußeren oder inneren Randbereich (5,6), ein gehärtetes Gefüge aufweist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Akkumulator (1) im Wesentlichen eine Kugelform aufweist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Akkumulator (1) eine von der Kugelform abweichende Form aufweist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der metallischen Behausung (3) zwischen 0,5% und 25%, bevorzugt zwischen 1% und 20%, ganz bevorzugt zwischen 3% und 15% beträgt.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträgers in einem Bereich zwischen –50°C und 500°C, bevorzugt zwischen –5°C und 300°C, ganz bevorzugt zwischen –1°C und 240°C, liegt.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Behausung (3) einteilig ausgeführt ist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Behausung (3) nahtlos ausgeführt ist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Akkumulator (1) eine detektierbare Kenntlichmachung des Schmelzpunkts des zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträgers (2) aufweist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Akkumulator (1) mit mindestens einem weiteren gleichen oder ähnlichen thermischem Akkumulator (1), vorzugsweise mit einer Vielzahl von gleichen oder ähnlichen thermischen Akkumulatoren (1), ganz besonders vorzugsweise in Form eines Kalottenmodells (7), fügbar ist.
Thermischer Akkumulator (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger (2) der mit einander zusammengefügten thermischen Akkumulatoren (1) gleiche oder unterschiedliche Schmelzpunkte/Erstarrungspunkte, aufweisen.
Verfahren zur Herstellung eines thermischen Akkumulators (1), der einen zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger (2) und eine metallische Behausung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zur latenten Energiespeicherung geeignete Energietrager (2) im zumindest teilkristallinen Zustand behaust wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zur latenten Energiespeicherung geeigneten Energieträger (2) vor seiner Behausung vertropft wird.
Verfahren zur Energiewirtschaft, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermischer Akkumulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 angewendet wird.