DE102014103108A1 - Latentwärmespeicher - Google Patents

Abstract

Es wird ein Latentwärmespeicher zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie vorgestellt. Der Latentwärmespeicher weist ein phasenwechselndes Speichermaterial (PCM) als Wärmespeicher, einen Speicherbehälter zur Aufnahme des PCM, ein Wärmetransportfluid zum Einbringen von Wärmeenergie in den Speicherbehälter und/oder zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Speicherbehälter, eine Pumpeinrichtung zum Umwälzen des Wärmetransportfluids, eine Wärmetransportfluidabführeinrichtung, einen in dem Speicherbehälter angeordneten Eintrittsbereich, innerhalb welchem das Wärmetransportfluid in den Speicherbehälter eintritt und eine in dem Speicherbehälter angeordnete Verteilerplatte auf, wobei die Verteilerplatte von dem Wärmetransportfluid durchströmbar ist und den Eintrittsbereich von dem PCM trennt, wobei das PCM von dem Wärmetransportfluid in dem Speicherbehälter umspülbar ist, um Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid und dem PCM auszutauschen.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher, ein mobiles Wärmetransportsystem sowie ein Verfahren zum Speichern in bzw. Rückgewinnen von Wärmeenergie aus einem Latentwärmespeichermaterial.
• Hintergrund der Erfindung
• Energiespeicherung ist eines der brennenden Themen unserer Zeit. Nicht nur im schlagzeilenträchtigen Bereich der erneuerbaren Energien, sondern noch viel stärker im gesamten Bereich von Verfahrenstechnik und Maschinenbau finden sich zahllose Anwendungsgebiete. Im Rahmen wissenschaftlicher Untersuchungen konnte ein neuer Ansatz zur effektiven Speicherung thermischer Energie erarbeitet werden, der die seit vielen Jahrzehnten diskutierten Latentwärmespeicher zu einer Renaissance führen könnte.
• Ein Latentwärmespeicher weist bekanntermaßen ein phasenwechselndes Material (PCM – "Phase Change Material") auf, wobei die in einem Phasenübergang des PCM enthaltene latente Wärmeenergie zur Speicherung von Wärmeenergie in dem PCM verwendet wird. Ein sehr bekanntes und einfaches Beispiel sind Taschenwärmer, bei denen ein Salz im Phasenübergang fest zu flüssig Wärmeenergie speichert und bei Bedarf abgeben kann.
• Ein wesentlicher Nutzen beim Einsatz eines Latentwärmespeichers ist die Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie in einem begrenzten Temperaturbereich, die Fähigkeit, eine hohe Wärmeenergiedichte zu speichern sowie ggf. die Fähigkeit des Unterkühlens. Der physikalische Hintergrund zu latenter oder inhärenter Wärme ist hinlänglich bekannt, der großtechnische Einsatz von Latentwärmespeichern – obwohl unbestritten ein immenser Nutzen vorhanden wäre – bleibt dagegen bislang im Wesentlichen aus.
• Bei bekannten Latentwärmespeichern konnte bislang keine ausreichende, für den industriellen Einsatz nutzbare Zyklenfestigkeit erreicht werden, da Latentwärmespeicher bislang nach nur wenigen Zyklen nicht mehr reproduzierbar nutzbar sind.
• Ein weiteres bislang nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist die Wärmeübergabe an das PCM oder aus dem PCM heraus. So vollziehen etwa die handelsüblichen, als PCM einsetzbaren Materialien eine Volumenänderung im Phasenübergang. Beispielsweise wenn sich das PCM beim Ausfrieren zusammenzieht, kann es sich von umgebenden Oberflächen ablösen und dadurch den thermischen Kontakt mit der Oberfläche verlieren. Die Wärmeleitung zwischen PCM und der Oberfläche ist hierdurch nachhaltig gestört.
• Dies tritt besonders dann als Problem auf, wenn versucht wird, einen Plattenwärmetauscher oder allgemein Wärmetauscherplatten einzusetzen um Wärme mit dem PCM auszutauschen. Kann ein gut angeströmter Plattenwärmetauscher noch einen Wärmedurchgangswert von 5000 Watt pro Quadratmeter und Kelvin [W/(m²K)] erreichen, so liegt diese im Falle des erstarrten PCM bei einer Schichtdicke von nur 2 cm typischerweise bei nur noch 10 W/(m²K). Der Plattenwärmetauscher kann somit als thermisch isoliert betrachtet werden – ein Wärmeeintrag in das erstarrte PCM zum Aufschmelzen ist zwar prinzipiell möglich, dauert aber 500 mal so lang.
• Ein weiteres Manko ergibt sich besonders bei dem in bisherigen Anwendungen am Häufigsten eingesetzten Na-Acetat durch auftretende Unterkühlungseffekte. Dabei setzt die Kristallisation erst weit unterhalb des Schmelzpunktes ein. Dies ist von Nachteil, da die Kristallisation und somit die Freisetzung der gespeicherten Wärme erst bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als bei der Beladung ausgelöst wird. Beim Entladen eines Wärmespeichers hat dies zur Folge, dass die gespeicherte Wärme erst freigesetzt wird, wenn z.B. am Wärmeübertrager ausreichend tiefe Temperaturen weit unter der Kristallisationstemperatur erreicht werden. Die Freisetzung erfolgt also zeitlich verzögert oder, falls eine ausreichend niedrige Temperatur nicht erreicht wird, gar nicht.
• Aus diesem Grund versucht man durch Zugabe anorganischer Feststoffe die Keimbildung zu beschleunigen und damit die kinetische Hemmung zu überwinden. Diese Verfahren sind jedoch noch unausgereift und nicht langzeitstabil.
• Die genannten Probleme führen dazu, dass bislang kein erfolgreicher großindustrieller Einsatz von Latentwärmespeichern stattfindet.
• Zwar gibt es Ansätze, die die genannten Probleme zu lösen versuchen. So ist es ein Weg, das Dilemma der Oberflächenablösung zu umgehen, das PCM unmittelbar zu durchspülen und nicht auf feste Oberflächen, wie bei einem Wärmetauscher, zu setzen.
• Beispielsweise wird dies in der DE 195 33 621 vorgeschlagen. Obzwar dies vom zugrundeliegenden physikalischen Wirkprinzip des Durchspülens her ein erfolgversprechender Ansatz zu sein scheint, ist der in der Schrift vorgestellte Latentwärmespeicher in vielerlei Hinsicht nicht ausgereift und nicht industriell einsetzbar.
• Der in DE 195 33 621 gezeigte Latentwärmespeicher hat einen Behälter, welcher ein mit Salzhydrat als Latentwärmespeichermedium ausgefülltes Speichervolumen aufnimmt. Dem Latentwärmespeicher ist nachteilig, dass die Kristallisationselemente des Speichermediums mit einem (herkömmlichen) Wärmetauscher koppeln, wodurch sich abermals der schlechte Wärmeübergang ergibt.
• Es gibt darüber hinaus in DE 195 33 621 auch keinen Schutz, das das Latentwärmespeichermedium davon abhält, in den aufgezeigten Wärmekreislauf einzudringen, vielmehr ist das flüssige Latentwärmespeichermedium immer Teil des Kreislaufs. Die Leitungen des Kreislaufs, also ggf. auch außerhalb des Behälters, können sich zusetzen. Auch in der Beschreibung wird dieses Problem, beispielsweise in der ganzen Spalte 6, diskutiert. Dabei wird auch berichtet, dass sich enthaltenes Latentwärmespeichermedium aufgrund der Konstruktion des Kreislaufs beim Ausfrieren selbsttätig zurück in den Behälter bewegen kann. Jedoch hat sich bei Versuchen herausgestellt, dass sich das Latentwärmespeichermedium auch an Bauteilen, wie einer Pumpe, beim Ausfrieren anhaftet und dort verbleibt und somit den Kreislauf verstopfen kann.
• Auch bereits überhaupt das Zirkulieren von Latentwärmespeichermedium hat Nachteile. Zum Einen stellt das Auswaschen des PCM und damit bislang einhergehend das Altern und Korrodieren der Hülle des Latentwärmespeichers ein bislang nicht beherrschtes Problem vor Allem bei salzbasierten Latentwärmespeichern dar. Beispielsweise auch die DE 195 33 621 schlägt den Einsatz eines Salzhydrats vor und bietet keine Lösung dafür, ein Umwälzen von flüssigem PCM zu verhindern.
• Andererseits führt das Auswaschen von PCM auch wie genannt zu Verstopfungen des Latentwärmespeichers beim Versuch des Abtransports der Wärmeenergie aus dem Latentwärmespeicher. Auch hierfür kann bisher keine zufriedenstellende Lösung gefunden werden.
• Allgemeine Beschreibung der Erfindung
• Die Grundproblematik des den Wärmeübergang hemmenden Foulings an Wärmetauscherflächen kann durch die Entwicklung und den Einsatz von offenen heterogenphasigen Latentwärmespeichern umgangen werden. Dabei kommen bevorzugt zwei nichtmischbare Stoffsysteme zum Einsatz, z.B. ein Öl als Wärmetransportfluid und ein anorganisches PCM (phase change material) als phasenwechselndes Speichermaterial.
• Im in einer zu veröffentlichenden Schrift der Anmelder vorgestellten Fall ist das PCM Mg-Nitrat/Hexahydrat mit einer Schmelztemperatur von 89°C und einer Dichte von 1,5g/cm³. Der Wärmeübertrag wird über von unten über einen Verteilerplatte eingeströmtes organisches Öl erreicht, welches durch das PCM nach oben perlt und Wärme aufnimmt oder abgibt und über einen wegen der Volumenarbeit schwimmenden Abzug in den Kreislauf zurückgeführt wird. Im Abkühlfall entsteht eine stabile Wabenstruktur mit Eigenstabilität. Im Aufheizfall schmilzt der PCM-Kristall zunehmend und es liegt ein 3-Stoffsystem (flüssiges PCM, festes PCM, Wärmetransportmaterial) vor.
• Zum Zwecke der planerischen Auslegung von Wärmespeichern sollen im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes die Wärmeübergänge und die damit einhergehenden Belade- und Entladeeigenschaften in den Wabenstrukturen mit Flüssiganteil untersucht und allgemeingültige Berechnungsformeln hergeleitet werden.
• Messungen an Laborapparaturen zeigen bereits, dass bei einem Speichervermögen von ca. 70 KWh/m³ Wärmeübertragungsleistungen von ca. 10 KW/m² Grundfläche erreicht werden können.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Latentwärmespeicher bereit zu stellen, der die zuvor aufgezählten Nachteile mindert oder beseitigt.
• Zugleich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Latentwärmespeicher bereit zu stellen, welcher eine Hohe Wärmeübertragungsleistung leistet, insbesondere im Falle eines ausgefrorenen bzw. auskristallisierten PCM.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mobiles Wärmetransportsystem bereit zu stellen, mit dem große Wärmemengen bedarfsgerecht transportiert werden können.
• Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Latentwärmespeichereinheit bereitzustellen, die in vorhandene Tanks schnell und kostengünstig zu installieren ist.
• Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bzw. den besonderen Vorteilen, die mit bestimmten Ausführungsformen erzielt werden.
• Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
• Ein erfindungsgemäßer Latentwärmespeicher ist ausgeführt zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie. Das heißt, es kann Wärmeenergie in dem Latentwärmespeicher gespeichert werden und die gespeicherte Wärmeenergie kann dem Latentwärmespeicher wieder entzogen werden, wobei die Reversibilität ferner ausdrückt, dass dieses Einspeichern prinzipiell beliebig oft wiederholbar ist.
• Der Latentwärmespeicher umfasst ein phasenwechselndes Speichermaterial (PCM) als Wärmespeicher. Das Speichermaterial ist also in der Lage, in einem Phasenwechsel Wärmeenergie zu speichern, sogenannte latente oder inhärente Wärmeenergie, wobei hierdurch die nutzbare Wärmeenergiedichte deutlich gesteigert ist. Das phasenwechselnde Speichermaterial wechselt also bei Aufnahme von Wärmeenergie von der festen in die flüssige Phase und es wechselt bei Abgabe von Wärmeenergie von der flüssigen in die feste Phase.
• Ferner weist der Latentwärmespeicher einen Speicherbehälter zur Aufnahme des phasenwechselnden Speichermaterials auf. Der Speicherbehälter kann beispielsweise von einem wärmeisolierten Container, einem Tank, insbesondere einem Öltank, oder einem Tankcontainer gebildet sein. Ganz allgemein ist der Speicherbehälter so ausgeführt, dass er gegen die Umgebung dicht ist und das phasenwechselnde Speichermaterial, insbesondere ein bis mehrere Kubikmeter, aufnehmen kann. Dies erfordert beispielsweise auch eine gewisse Temperaturstabilität des Speicherbehälters und eine Versteifungskonstruktion, auf die jedoch nicht ferner eingegangen wird.
• Der Latentwärmespeicher umfasst ferner ein Wärmetransportfluid zum Einbringen von Wärmeenergie in den Speicherbehälter und/oder zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Speicherbehälter. Das Wärmetransportfluid stellt gewissermaßen die thermische Kommunikation mit der Umgebung sicher, wobei das Wärmetransportfluid Wärmeenergie aus dem phasenwechselnden Speichermaterial aufnehmen und von dem Speicherbehälter wegführen kann. Ebenfalls kann das Wärmetransportfluid Wärmeenergie von außerhalb des Speicherbehälters mitführen und an das phasenwechselnde Speichermaterial abgeben.
• Das phasenwechselnde Speichermaterial ist derart in dem Speicherbehälter angeordnet, dass es von dem Wärmetransportfluid durchströmbar ist. Mit anderen Worten durchströmt das Wärmetransportfluid das phasenwechselnde Speichermaterial derart, dass ein direkter thermischer Kontakt zwischen dem Wärmetransportfluid und dem PCM herstellbar ist. In einem einfachen Beispiel fließt oder tropft das Wärmetransportfluid an das PCM und strömt in das PCM hinein.
• Zum Umwälzen des Wärmetransportfluids weist der Latentwärmespeicher eine Pumpeinrichtung auf. Je nach Ausführungsform des Speicherbehälters ist es dabei auch möglich, dass das Wärmetransportfluid selbsttätig, also beispielsweise der Schwerkraft folgend, in den Speicherbehälter zu einem Pumpensumpf einfließt und von dort von der Pumpe weiter durch das phasenwechselnde Speichermaterial gefördert wird. Ganz generell sind neben einem geschlossenen Umwälzkreislauf auch Kreisläufe möglich, die dem Prinzip einer Druckumlaufschmierung oder einer Trockensumpfschmierung entsprechen.
• Eine Wärmetransportfluidabführeinrichtung schöpft das Wärmetransportfluid ab, welches bereits mit dem phasenwechselnden Speichermaterial thermisch wechselgewirkt hat und von dem Speicherbehälter wegzuführen ist, um außerhalb des Speicherbehälters wieder mit thermischer Energie geladen zu werden oder um die thermische Energie aus dem phasenwechselnden Speichermaterial abzuführen.
• In dem Speicherbehälter des Latentwärmespeichers ist ein Eintrittsbereich angeordnet, innerhalb welchem das Wärmetransportfluid in den Speicherbehälter eintritt. Mit anderen Worten tritt das Wärmetransportfluid offen in den Speicherbehälter ein. Der Eintrittsbereich befindet sich beispielsweise am Ende einer Rohröffnung, wenn das Wärmetransportfluid durch ein Rohr von außerhalb in den Speicherbehälter gebracht wird. Auch dann, wenn beispielsweise das Rohr von oben durch den Speicherbehälter und innerhalb des Speicherbehälters durch das PCM geleitet wird, und somit das Wärmetransportfluid innerhalb des Speicherbehälters aber noch innerhalb des Rohres ist, wird der Eintrittsbereich des Wärmetransportfluids am Rohrende festgelegt. Der Eintrittsbereich ist also der Bereich, wo das Wärmetransportfluid mit dem Innenraum des Speicherbehälters kommuniziert, beispielsweise dem Druck des Innenraumes ausgesetzt ist oder sich frei im Innenraum verteilt.
• In dem Speicherbehälter des Latentwärmespeichers ist ferner eine Verteilerplatte angeordnet. Die Verteilerplatte ist bevorzugt benachbart zu dem Eintrittsbereich. In einer einfachen Ausführungsform hat die Verteilerplatte eine Rohrdurchführung, durch die das Wärmetransportfluid zu dem Eintrittsbereich an der Verteilerplatte geführt wird, so dass das Wärmetransportfluid im Eintrittsbereich noch durch die Verteilerplatte von dem PCM getrennt ist.
• Die Verteilerplatte trennt den Eintrittsbereich von dem phasenwechselnden Speichermaterial, wobei die Verteilerplatte ferner von dem Wärmetransportfluid durchströmbar ist. In einem praktischen Beispiel handelt es sich bei der Verteilerplatte einfach um eine gelochte Fläche, durch die das Wärmetransportfluid durchströmen kann. Obzwar nicht weiter ausgeführt, kann es sich bei der Verteilerplatte beispielsweise auch um eine konvex oder konkav gekrümmte Oberfläche handeln, bevorzugt soll ein flächiges Element darunter verstanden sein, wobei eine ebene Fläche manche Vorteile in sich vereinen kann.
• Die Verteilerplatte ermöglicht eine hohe Zahl an Öffnungen zum Durchströmen für das Wärmetransportfluid, wodurch ein möglichst großflächiger und gleichmäßiger Wärmeaustausch des Wärmetransportfluids mit dem PCM ermöglicht ist. Beispielsweise konnte im Rahmen der Erfindung herausgefunden werden, dass beispielsweise ein Abstand bis hinunter zu 1 bis 2 cm noch geeignet ist, getrennt aufsteigende Tropfen oder Stränge des Wärmetransportfluids in bzw. durch das PCM zu erzeugen, die sich auf dem Weg durch das PCM nicht miteinander vermischen und somit getrennt zu beobachten sind. Insbesondere können mittels der Verteilerplatte bis zu 10.000 Öffnungen pro Quadratmeter vorgesehen werden. Die hieran zugrundeliegende Idee ist es also, einen innigen Wärmeübergang zwischen Wärmetransportfluid und PCM herzustellen, indem über ein zweidimensionales flächiges Gebilde das Wärmetransportfluid in das PCM eingeleitet wird. Der Eintrittsbereich bildet dabei bevorzugt benachbart zu der Verteilerplatte einen von dem Wärmetransportfluid füllbaren Hohlraum.
• Die Öffnungsweite der Öffnungen kann in Abhängigkeit von den viskosen Eigenschaften und der Oberflächenspannung der einzusetzenden Medien ausgewählt werden. Bevorzugt konnte experimentell ein Durchmesser der Öffnungen von 1 bis 4 Millimeter, bevorzugt 2 bis 3 Millimeter, gefunden werden. Beispielsweise wird man bei dünnflüssigen Ölen kleinere Bohrungen einsetzen. Die Öffnungen sind bevorzugt in regelmäßigem Abstand an der Oberseite der Verteilerplatte angeordnet. Der jeweilige Abstand der Öffnungen zueinander kann dabei beispielsweise im Bereich von 1 bis 5 cm liegen.
• Das phasenwechselnde Speichermaterial ist von dem Wärmetransportfluid umspülbar, um Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid und dem phasenwechselnden Speichermaterial auszutauschen. Mit anderen Worten ist das phasenwechselnde Speichermaterial insbesondere so angeordnet oder so beschaffen, dass das Wärmetransportfluid mit direktem thermischen Kontakt das phasenwechselnde Speichermaterial umspült, also beispielsweise durchspült, und zwar insbesondere auch dann, wenn das phasenwechselnde Speichermaterial in die feste Phase ausgefroren ist.
• Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher erlaubt einen sehr hohen Wärmeübergang zwischen Wärmetransportfluid und PCM bei bisher nicht erreichten kleinen treibenden Temperaturdifferenzen ("Grädigkeit"). So konnten experimentell Leistungsübertragungen bis 60kW/m² Boden bei einer Grädigkeit von 2K erreicht werden. Die Anordnung erweist sich ferner insbesondere bei der Entnahme von Wärmeleistung als vorteilhaft. In vorteilhafter Weise werden hier keine Wärmetauscherflächen mit kristallisiertem PCM überzogen, so dass keine Wärmeübertragungshemmung in Kauf zu nehmen ist.
• Beispielsweise bilden sich durch die Zuströmung von kaltem Wärmetransportfluid, welches aus dem PCM als heißes Wärmetransportfluid austritt, zunächst Kanäle aus Kristallen, die jedoch durch den verbleibenden Flüssiganteil weiter umströmt werden. Dies steigert die mögliche Wärmeübertragsleistung.
• Auch das im Stand der Technik beschriebene Absinken von Kristallen auf den Behälterboden kann in vorteilhafter Weise verhindert werden, weil der Boden, auf dem das PCM ggf. aufliegt, also insbesondere die Verteilerplatte, in geeigneter Weise flächendeckend mit Öffnungen versehen ist. Damit entstehen keine oder nur sehr geringe bzw. kleinräumig ausgeprägte Totzonen, in denen Kristalle absinken können.
• Das phasenwechselnde Speichermaterial ist bevorzugt im Wärmetransportfluid unlöslich.
• die Verteilerplatte mehrere Öffnungen umfasst zum Durchlassen des Wärmetransportfluids zu dem phasenwechselnden Speichermaterial.
• Insgesamt ermöglicht die Kombination aus Eintrittsbereich und Verteilerplatte, die einen Hohlraum bildet, mit der flächigen Durchströmung des Wärmetransportfluids durch das PCM einen nur geringen Strömungswiderstand, der eine recht homogene Verteilung des Wärmetransportfluids beim Durchströmen durch die Öffnungen, und damit im Weiteren auch durch das PCM, ermöglicht.
• Ein Stabgerippe mit über den Öffnungen angeordneten Stabenden kann vorgesehen sein, so dass Strähnen aus Wärmetransportfluid entlang der Stäbe leitbar sind. Beispielsweise kann ein verbessertes Abperlen der aufsteigenden Stränge aus Wärmetransportfluid ermöglicht sein, wenn auf die Verteilerplatte ein Konstrukt aus senkrecht zum Boden und oberhalb der Löcher positionierter Stäbe aufgesetzt ist. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass Wärmetransportfluidsträhnen an den Stäben nach oben geleitet werden können und so eine lokale und für die Erhaltung der Homogenität des PCM sinnvolle Konsistenz begünstigt wird.
• Die Öffnungen der Verteilerplatte können auch durch die Stabenden verschließbar sein, so dass die Öffnungen gegen das phasenwechselnde Speichermaterial abgedichtet werden.
• Die Stabenden können dann anhebbar sein, so dass insbesondere die Stabenden von dem Wärmetransportfluid angehoben werden, wenn der Eintrittsbereich des Wärmetransportfluids einen Drucküberschuss gegenüber dem phasenwechselnden Speichermaterial aufweist.
• Mit anderen Worten können die Stäbe so angeordnet sein, dass sie aus einer variablen Stützanordnung dergestalt untergebracht werden, dass im Durchströmungsfall des Wärmetransportfluids durch die Öffnungen der anstehende Druck die Stäbe anhebt und die Bohrungen freigibt. Im Falle des Stillstandes des Wärmetransportfluids sinken die Stäbe dann in die Öffnungen, insbesondere Bohrungen, und verschließen diese, so dass auch ein gelöstes PCM nicht in die Verteilerplatte eindringen kann.
• Es kann über einen regelungstechnischen Eingriff günstig sein, den Wärmetransportfluiddurchsatz nicht ganz ein- bzw. auszuschalten, sondern anstelle des Stillstandes einen Minimaldurchsatz einzustellen. Damit ist ein Durchströmen der Öffnungen erreicht und die Rückströmung verhindert.
• Die Verteilerplatte kann einen Rückstromverhinderer zum Abhalten des gelösten phasenwechselnden Speichermaterials von dem Eintrittsbereich umfassen. Der Rückstromverhinderer kann insbesondere eine Matte, beispielsweise eine Gummimatte, zum Abdichten der Verteilerplatte gegen das phasenwechselnde Speichermaterial umfassen. Besonders bevorzugt weist die Matte über den Öffnungen zu liegen kommende Schlitze zum Durchlassen des Wärmetransportfluids auf, um gleichzeitig ein Rückströmen des gelösten PCM in die Öffnungen zu verhindern. Die Matte kann eine elastische Matte sein oder aus ähnlichem Material aufgebaut sein, um die beschriebene Wirkung zu erzielen. Anstelle der Schlitze können Überlappungen vorgesehen sein. Bevorzugt sind die Schlitze bzw. Überlappungen durch einen im Eintrittsbereich erhöhten Druck des Wärmetransportfluids öffenbar und bleiben geschlossen, wenn der Druck des auf der Matte lastenden PCM den Druck im Eintrittsbereich übersteigt. Mit anderen Worten können beim Strömen des durch eine handelsübliche Pumpe förderbaren Wärmetransportfluids die Schlitze bzw. Überlappungen aufgedrückt werden, wobei bevorzugt durch die Ausgestaltung der Schlitze bzw. Überlappungen ein definierter Strömungswiderstand eingestellt wird, der die Gleichverteilung des Durchtrittes unterstützt. Beim Abschalten der Pumpe schließen sich die Schlitze bzw. Überlappungen und verhindern ein Rückströmen des PCM.
• Das Wärmetransportfluid kann bevorzugt eine organische Flüssigkeit, ein Öl, insbesondere ein organisches Öl und/oder ein Thermalöl, oder Wasser umfassen.
• Das Wärmetransportfluid kann bevorzugt ferner eine geringere Dichte als das phasenwechselnde Speichermaterial aufweisen.
• Bei Durchmischung mit aufgeschmolzenem phasenwechselndem Speichermaterial bildet das Wärmetransportfluid bevorzugt eine Emulsion, insbesondere eine Makroemulsion.
• Durch das phasenwechselnde Speichermaterial führt bevorzugt ein Zentralrohr zur Zuführung des Wärmetransportfluids in den Eintrittsbereich. Das zugeführte Wärmetransportfluid wird also über ein zentrales Rohr z.B. senkrecht von oben in die Mitte, oder auch von oben seitlich des Speicherbehälters, zu dem Eintrittsbereich und der Verteilerplatte zugeführt. Das Wärmetransportfluid verteilt sich dann bevorzugt selbsttätig unterhalb oder in der Verteilerplatte und gelangt gleichmäßig zu jeder Öffnung. Dies hat den Vorteil, dass ein Speicherbehälter insbesondere bei einem nachträglichen Einbau in den vorhandenen, umfunktionierten Behälter keine seitlichen Bohrungen für die Zuführung benötigt.
• In einer weiteren Ausführungsform kann ein durch das phasenwechselnde Speichermaterial führendes Bypassrohr für das Wärmetransportfluid zum Aufrechterhalten einer Mindestzirkulationsmenge des Wärmetransportfluids vorgesehen sein. Das phasenwechselnde Speichermaterial ist bevorzugt mittels des Bypassrohres erhitzbar, so dass das phasenwechselnde Speichermaterial in einem Bereich um das Bypassrohr schmelzbar ist und einen Durchlassbereich in dem phasenwechselnden Speichermaterial für das Wärmetransportfluid bei Aufheizung gebildet wird.
• Mit anderen Worten ist in einer Ausführungsform ein Bypassrohr in die Anlage integriert, die Wärmetransportfluid im Kreislauf fahren kann, wenn nach langem Stillstand ggf. die kristallisierte oder ausgefrorene PCM-Masse ohne Durchlass sein sollte. Das Bypassrohr ist besonders bevorzugt durch die PCM-Masse führbar und ermöglicht dabei eine Wärmetransportfluidkurzschlussströmung.
• Ein bevorzugtes Beispiel umfasst einen schwimmenden Abzug oder Ablauf zum Absaugen oder Ablaufenlassen oder Abführen des durch das phasenwechselnde Speichermaterial hindurchgetretene Wärmetransportfluid. Das "verbrauchte" bzw. gegenüber dem Eintrittsbereich aus dem PCM ausgetretene Wärmetransportfluid kann also von dem PCM "abgeschöpft" werden. Der Abzug ist schwimmend gelagert, er schwimmt bevorzugt auf dem phasenwechselnden Speichermaterial oder auf einer anderen mit dem PCM-Material nicht mischbaren Flüssigkeit, die ggf. das PCM zumindest teilweise umgeben kann. Dies ist bedeutsam, weil die üblichen PCM-Materialien eine Volumenarbeit verrichten, d.h. beim Erstarren verringert sich typischerweise die Füllhöhe des Behälters. In anderen Fällen, wie Wasser, kann sich das Volumen beim Erkalten auch erhöhen. In vorteilhafter Weise wird der schwimmende Abzug in optimaler Höhe verweilen. Hierdurch wird ggf. nur eine geringere Menge an Wärmetransportfluid benötigt, es ist aber auch möglich, an dem Abschöpfbereich des schwimmenden Abzugs eine Separation des Wärmetransportfluids von dem PCM zu ermöglichen. Dies ist bevorzugt dann interessant, wenn das Wärmetransportfluid nicht mit dem PCM mischbar ist, sondern die beiden Materialien vielmehr eine Emulsion bilden, welche sich beispielsweise unter Beruhigung wieder entmischt. Hat beispielsweise das Wärmetransportfluid eine geringere Dichte als das PCM und trennen sich die beiden Materialien nach dem Durchgang des Wärmetransportfluids durch das PCM wieder, so ist es mit einem schwimmenden Abzug besonders einfach, das Wärmetransportfluid separiert von dem PCM abzuschöpfen, indem nur unmittelbar an der Oberfläche abgeschöpft wird, wo sich, wenn die richtig eingestellte Menge an Wärmetransportfluid bzw. das richtig eingestellte Verhältnis zwischen Wärmetransportfluid und PCM im Speicherbehälter vorliegt, das Wärmetransportfluid an der Oberfläche absetzt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform fungiert die einzusetzende Substanz des Wärmetransportfluids als Diffusionsschutz, weil häufig das Material des PCM, beispielsweise Salzhydrate, stark hygroskopisch sind und Wasser aus der Luft anziehen. Am Beispiel der MgCl-Hexahydrate führt eine Verdünnung durch gelöstes Wasser zur Veränderung des Schmelzpunktes. Bevorzugt kann der Speicherbehälter auch eine diffusionsdichte Außenhülle umfassen, da die Feuchtigkeit auch durch eine Kunststoffwand angesaugt werden kann (osmotischer Druck) und im Langzeitbetrieb die Apparatur ungünstig verändern kann.
• Das phasenwechselnde Speichermaterial kann bevorzugt Magnesiumnitrat, Ammoniumalaun und/oder Magnesiumchlorid umfassen.
• Das phasenwechselnde Speichermaterial kann bevorzugt auch ein anorganisches Salz, ein Eutektikum aus Salzen oder eine Mischform aus Salzen umfassen
• In einer anderen Ausführungsform kann das Wärmetransportfluid Wasser umfassen und das phasenwechselnde Speichermaterial Öl, Wachs oder organisches Material. Wenn Wasser das Übertragungsmedium (Wärmetransportfluid) und ein Öl, Wachs oder anderes organisches Material das Speichermedium (PCM) darstellt, kann die Strömungsrichtung in dem Speicherbehälter umgekehrt sein und das Wasser von oben nach unten durchströmen, wenn die Dichte des Wassers oder einer Salzlösung (Wärmetransportfluid) höher ist und im Vergleich dazu das PCM von geringerer Dichte ist. In diesem Fall ist also die Einspeisung des Wärmetransportfluids an den Eintrittsbereich oben über einer flächigen Anordnung, der Verteilerplatte. Die Verteilerplatte ist in diesem Fall eine flächige Anordnung wie eine Art Duschkopf mit großer Dimension. Die Absaugung, ggf. schwimmende Wärmetransportfluidabführeinrichtung, ist (in Bezug auf die Schwerkraft) unten. Die entsprechenden Änderungen an dem Latentwärmespeicher ergeben sich aufgrund der Strömungsrichtungsumkehr in logischer Weise.
• Der Latentwärmespeicher kann bevorzugt eine Wärmetransportkupplung zum Verbinden des Latentwärmespeichers mit einer äußeren Wärmequelle oder Wärmesenke, derart ausgestaltet, dass das Wärmetransportfluid durch die Wärmetransportkupplung zu der äußeren Wärmequelle oder Wärmesenke führbar ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass eine außerhalb des Speicherbehälters angeordnete Wärmequelle oder Wärmesenke von dem Wärmetransportfluid erreichbar ist, wenn die Wärmequelle oder Wärmesenke mittels der Wärmetransportkupplung an den Latentwärmespeicher angeschlossen ist. Im einfachen Fall umfasst der Latentwärmespeicher hierfür Schläuche oder Rohre.
• Ein Wärmetauscher zum Austauschen der von dem Wärmetransportfluid transportierten Wärmeenergie mit einer externen Wärmequelle oder Wärmesenke kann entweder Teil des Latentwärmespeichers sein, so dass eine Wärmetransportkupplung sekundärseitig dem Wärmetauscher nachgeschaltet angebracht ist. Der Wärmetauscher kann auch extern angeordnet sein, so dass das Wärmetransportfluid den Bereich des Latentwärmespeichers zum Zwecke des Wärmeaustausches verlässt. Ganz Allgemein gesagt ist die externe Wärmequelle Quelle des Wärmestromes, von dem der Latentwärmespeicher aufgeheizt, also "befüllt" wird, so dass Wärmeenergie in dem PCM gespeichert wird, oder Ziel des Wärmestromes, das von dem Latentwärmespeicher erhitzt werden soll, so dass sich der Latentwärmespeicher "entleert". Die externe Wärmequelle oder Wärmesenke kann allgemein als Wärmetauscher angenommen werden.
• Das phasenwechselnde Speichermaterial bildet bevorzugt beim Aushärten eine schwammartige oder poröse Struktur aus, die insbesondere mittels oder aufgrund des Stabgerippes für das Wärmetransportfluid durchlässig ist.
• Ferner ist Teil der Erfindung ein Latentwärmespeicher zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie mit einem ersten phasenwechselnden Speichermaterial (PCM) und zumindest einem weiteren phasenwechselnden Speichermaterial als Wärmespeicher mit einer von dem ersten phasenwechselnden Speichermaterial unterschiedlichen Phasenübergangstemperatur. Der Latentwärmespeicher mit zwei PCMs umfasst weiter einen Speicherbehälter zur Aufnahme des ersten und des zweiten phasenwechselnden Speichermaterials, ein Wärmetransportfluid zum Einbringen von Wärmeenergie in den Speicherbehälter und/oder zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Speicherbehälter, eine Pumpeineinrichtung zum Umwälzen des Wärmetransportfluids, eine Wärmetransportfluidabführeinrichtung und einen in dem Speicherbehälter angeordneten Eintrittsbereich, innerhalb welchem das Wärmetransportfluid in den Speicherbehälter eintritt. Das erste und das zweite phasenwechselnde Speichermaterial ist von dem Wärmetransportfluid umspülbar, um Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid und dem ersten und dem zweiten phasenwechselnden Speichermaterial auszutauschen.
• Das erste und das zweite phasenwechselnde Speichermaterial ist bevorzugt in kaskadierender Anordnung zueinander in dem Speicherbehälter angeordnet, so dass das Wärmetransportfluid zunächst durch das höchstschmelzende phasenwechselnde Speichermaterial führbar ist.
• Das erste phasenwechselnde Speichermaterial und das zweite phasenwechselnde Speichermaterial ist bevorzugt auch übereinandergeschichtet angeordnet, so dass ein Latentschichtenspeicher gebildet ist.
• Der Latentwärmespeicher kann bevorzugt eine Speichermaterialtrennwand umfassen, wobei das erste phasenwechselnde Speichermaterial mittels der Speichermaterialtrennwand von dem zumindest einen weiteren phasenwechselnden Speichermaterial getrennt angeordnet ist.
• Die Speichermaterialtrennwand ist besonders bevorzugt von dem Wärmetransportfluid durchströmbar.
• Der Speicherbehälter kann bevorzugt rezykliert sein. Beispielsweise kann der Speicherbehälter von einem wärmeisolierten Container, einem Tank, insbesondere einem Öltank, oder einem Tankcontainer gebildet sein. In besonders einfacher Weise kann in vorgegebene und nicht speziell für den Latentwärmespeicher optimierte Behälter der Latentwärmespeicher eingebaut werden. Durch Anpassen der Verteilerplatte können jede möglichen Behälter auch im nachträglichen Einbau beschickt werden, z.B. Heizöltanks.
• Die Erfindung umfasst ferner ein mobiles Wärmetransportsystem zum rohrleitungsunabhängigen Transport von Wärmeenergie. Ein solches mobiles Wärmetransportsystem umfasst einen beschriebenen Latentwärmespeicher sowie ferner eine Transportplattform zum Aufnehmen und zum Bewegen des Latentwärmespeichers, beispielsweise einen Lastkraftwagen, ein Schiff etc.
• Zumindest eine Wärmetransportkupplung ist bevorzugt umfasst, so dass der Latentwärmespeicher abwechselnd an Wärmequellen und an von den Wärmequellen entfernten Wärmenutzern bzw. Wärmesenken ankoppelbar ist.
• Die Erfindung zeigt darüber hinaus ein Verfahren zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie in einem phasenwechselnden Speichermaterial, umfassend die Schritte: Pumpen und Einströmenlassen von Wärmetransportfluid in einen Eintrittsbereich eines Speicherbehälters, Durchströmenlassen einer Verteilerplatte durch das Wärmetransportfluid zu einem phasenwechselnden Speichermaterial, Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid und dem phasenwechselnden Speichermaterial, Absaugen des Wärmetransportfluids von einem Randbereich des phasenwechselnden Speichermaterials, Zuführen des Wärmetransportfluids zu einem Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid und dem Wärmetauscher.
• Im Falle, dass mehrere PCM eingesetzt werden, umfasst das Verfahren zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie in einem Latentwärmespeicher die Schritte: Pumpen und Einströmenlassen von Wärmetransportfluid in einen Eintrittsbereich eines Speicherbehälters, Durchströmenlassen einer Verteilerplatte durch das Wärmetransportfluid zu einem ersten phasenwechselnden Speichermaterial und Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid und dem ersten phasenwechselnden Speichermaterial und/oder Durchströmenlassen der Verteilerplatte durch das Wärmetransportfluid zu einem zweiten phasenwechselnden Speichermaterial und Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid und dem zweiten phasenwechselnden Speichermaterial, Absaugen oder Abfließenlassen des Wärmetransportfluids von einem Randbereich des phasenwechselnden Speichermaterials, Zuführen des Wärmetransportfluids zu einem Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid und dem Wärmetauscher.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
• Kurzbeschreibung der Figuren
• Es zeigen:
• 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers,
• 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers,
• 3 eine Verteilerplatte,
• 4 eine Innenansicht eines experimentellen Speicherbehälters,
• 5 eine Übersichtsgraphik derzeit bekannter Materialien zur Verwendung als PCM,
• 6 Auflistung von Eigenschaften ausgewählter PCM-Materialien,
• 7 eine weitere Ausführungsform des Latentwärmespeichers mit zwei PCM-Materialien.
• Detaillierte Beschreibung der Erfindung
• 1 zeigt eine erste Ausführungsform. Ein Speicherbehälter 10 beherbergt ein phasenwechselndes Speichermaterial 20. Im oberen Bereich des Speicherbehälters 10, im dargestellten Fall mittig in der oberen Außenwand, führt ein Zuführeinrichtung 12, wie insbesondere ein Zuführungsrohr 12 oder ein Zentralrohr 12, in den Innenraum des Speicherbehälters 10. Durch das Zuführungsrohr 12 kann ein Wärmetransportfluid 30, wie beispielsweise ein Öl 30, durch den Innenraum des Speicherbehälters 10 zu dem Austrittsbereich 16 geführt werden. In dem Rohrleitungsnetz 15, welches in diesem Beispiel das Zuführungsrohr 12 und ein Abführungsrohr 14 umfasst, ist eine Pumpe 35, welche das Wärmetransportfluid 30 pumpt sowie ein Wärmetauscher 50. Die Pumpe 35 kann das Öl 30 umpumpen, so dass ein Kreislauf von Pumpe 35 über Wärmetauscher 50, Zuführungsrohr 12, Innenraum des Speicherbehälters 16, 17, 21 und Abführungsrohr 14 gebildet ist.
• Ein Wärmetransportfluidauslass 18a, der den einfachsten Fall einer Wärmetransportfluidabführeinrichtung 18 darstellt, ist in der 1 gezeigt. Von dem Wärmetransportfluidauslass 18a aus könnte eine flexible Rohrführung im Inneren des Speicherbehälters 10 mit einem schwimmenden Abzug 18b verbunden sein.
• Im Betrieb des Latentwärmespeichers wird das Öl 30 von der Pumpe 35 über das Zuführungsrohr 12 zu dem Austrittsbereich 16 geleitet. Das Öl 30 verteilt sich im Austrittsbereich 16 und füllt den Hohlraum, bis der Austrittsbereich 16 mit Öl 30 gefüllt ist, wenn der Austrittsbereich 16 nicht schon mit Öl 30 befüllt war. Ist der Austrittsbereich 16 gefüllt so beginnt die Pumpe 35 einen hydraulischen Druck auf den Austrittsbereich 16 zu beaufschlagen. Das Öl 30 presst angetrieben von dem Druck der Pumpe 35 gegen die Öffnungen 24 der Verteilerplatte 22. Auf der Verteilerplatte 22 liegt eine Matte 26, im gezeigten Fall eine elastische Matte 26, welche das Durchströmen von Öl 30 durch die Verteilerplatte 22 zunächst verhindert. Steigt der Druck der Pumpe 35 auf den Austrittsbereich 16 weiter an, so öffnen sich Schlitze 28 bzw. Überlappungen 28a der Matte 26, die symmetrisch auf den Öffnungen 24 der Verteilerplatte 22 liegen, und lassen das Wärmetransportfluid 30 hindurch.
• Das Wärmetransportfluid 30 strömt an der Verteilerplatte 22 vorbei zu dem PCM-Aufnahmebereich 21, in dem das PCM 20 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform kann als PCM 20 beispielsweise ein Magnesiumnitrat, insbesondere ein Magnesiumnitrat-Hydrat 20a, ein Magnesiumchlorid, insbesondere eine Magnesiumchlorid-Hydrat 20b, oder ein Ammoniumalaun 20c eingesetzt sein. Das PCM 20 ist in der Ausführungsform der 1 so ausgewählt, dass es bei dem Phasenübergang von flüssig zu fest schwammartig ausfriert, so dass Zwischenräume oder Hohlräume in dem PCM 20 gebildet sind, durch die das Wärmetransportfluid 30 hindurchströmen kann. Das Wärmetransportfluid 30 durchsetzt also das PCM 20 vollständig und füllt die darin aufgebauten Hohlräume aus, bis es an einem oberen Bereich 17 des Speicherbehälters 10 angekommen ist.
• In dem oberen Bereich 17 sammelt sich das Wärmetransportfluid 30. In der einfachsten Ausführungsform läuft das Wärmetransportfluid 30 durch den Wärmetransportfluidauslass 18a aus dem Speicherbehälter 10 heraus und zu der Pumpe 35, die ggf. in einem Pumpensumpf liegt.
• Hierbei schwimmt das Wärmetransportfluid 30 auf dem PCM 20, auch auf dem gelösten PCM 20a, auf und trennt sich von dem PCM 20, 20a. Das Wärmetransportfluid 30 ist so gewählt, dass es sich nicht vollständig mit dem PCM 20 mischt, sondern nur ggf. eine Emulsion bildet, die sich im oberen Bereich 17 trennen kann.
• Die Umlaufrichtung des Wärmetransportfluids 30 ist bevorzugt unabhängig davon, ob der Latentwärmespeicher geladen oder entladen wird. In einem Fall gibt das Wärmetransportfluid 30 die aus dem PCM 20 aufgenommene Wärmeenergie mittels des Wärmetauschers 50 als Wärmesenke 50a an die Umgebung 52, das "Ziel" 52, ab. Mit der Bezugsziffer 52 kann ein weiteres Wärmeträgermedium bezeichnet sein. Es kann sich auch um eine Wärmetransportkupplung 52 handeln. In einem anderen Fall nimmt das Wärmetransportfluid 30 aus dem Wärmetauscher 50 als Wärmequelle 50b Wärmeenergie auf und transportiert diese zu dem PCM 20, um sie an das PCM 20 abzugeben.
• 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei das Wärmetransportfluid 30 von der Pumpe 35 über die Zuführeinrichtung 12 zu dem Eintrittsbereich 16 in den Speicherbehälter 10 führbar ist.
• Die Ausführungsform weist in dem PCM-Aufnahmebereich 21 ein Stabgerippe 40 mit einer Vielzahl von Stäben 40' auf, wobei die Stäbe Stabenden 42 aufweisen. Mit anderen Worten ist ein Stabgerippe 40 von dem PCM 20 eingeschlossen.
• Die Stabenden 42 kommen über den Öffnungen 24 zu stehen. Das Stabgerippe 40 wird von einer Aufhängung 44 oder einer Stützvorrichtung 44 gehalten, wobei die Aufhängung 44 bevorzugt derart aufgebaut ist, dass sie zwar horizontale Bewegungen der Stäbe 40' unterbindet, vertikale Bewegungen der Stäbe 40' aber erlaubt. Mit anderen Worten sind Bewegungen der Stäbe 40' in Richtung der Öffnungen 24 und von diesen weg freigegeben.
• Die Öffnungen 24 der Verteilerplatte 22 sind von den Stabenden 42 verschlossen, d.h. die Stabenden 42 sind so hergerichtet, dass sie die Öffnungen 24 verschließen und damit ein Eindringen von (flüssigem) PCM 20 in den Eintrittsbereich 16 verhindern.
• Der Latentwärmespeicher der 2 weist ferner einen Bypass 34 und ein Bypass-Ventil 36 auf.
• An dem in der 2 links dargestellten Stab 40' ist eine Öl-Strähne 30, also Tropfen von Wärmetransportfluid 30, dargestellt, welche von dem Stab 40' geleitet wird. Der an dem linken Stab 40' dargestellte Pfeil 46 symbolisiert die Bewegungsfreiheit der Stäbe 40' des Stabgerippes 40 in der Richtungsachse zu den Öffnungen 24, also insbesondere der Vertikalen, hin.
• Die in 2 dargestellte Ausführungsform weist auch einen schwimmenden Abzug 18b als Wärmetransportfluidabführeinrichtung 18 auf.
• Im Betrieb des Latentwärmespeichers 2 wird das Wärmetransportfluid 30 von der Pumpe 35 über das Zuführungseinrichtung 12 zu dem Eintrittsbereich 16 gepumpt, wo sie austritt und den Eintrittsbereich 16 ausfüllt. Die Pumpe 35 fördert weiter und beaufschlagt den Eintrittsbereich 16 mit einem Druck, das Wärmetransportfluid 30 weicht auf die Öffnungen 24 aus und beginnt, seinerseits einen Druck auf die auf den Öffnungen 24 liegenden Stabenden 42 auszuüben. Übersteigt der Druck des Wärmetransportfluids 30 die Gewichtskraft der Stäbe 40' so werden die Stäbe 40' angehoben, das Wärmetransportfluid 30 kann aus dem Eintrittsbereich 16 in den PCM-Aufnahmebereich 21 strömen. Zu Beginn des Wärmeeintrags in das Wärmetransportfluid 30 über den Wärmetauscher 50 als Wärmequelle 50b ist es möglich, dass der ganze oder wesentliche Teile des PCM 20 ausgefroren ist. Dann ist es vorteilhaft, wenn die Stäbe 40' eine bessere Durchgangsmöglichkeit für das Wärmetransportfluid 30 bieten, und sich das Wärmetransportfluid 30 entlang der Stäbe 40' ausbreitet.
• Falls jedoch das Wärmetransportfluid 30 nicht vermag, durch den PCM 20 hindurchzudringen, ist in der Ausführungsform der 2 ein Bypass 34 vorgesehen. Beispielweise weist der Bypass 34 ein Bypass-Ventil 36 auf, welches bei Erreichen eines vordefinierbaren Druckes öffnet. Erhöht die Pumpe 35 den Druck weiter, während das Wärmetransportfluid 30 nicht weiter in das PCM 20 vordringen kann, so erhöht sich auch der Druck auf das Bypass-Ventil 36, welches bei Erreichen der eingestellten Druckschwelle öffnet. Das Wärmetransportfluid 30 kann nun Wärmeenergie aus dem Wärmetauscher 50 aufnehmen und das Bypassrohr, welches durch das PCM-Material 20 hindurchgeführt ist, erwärmen. Bevorzugt hat das Bypassrohr gute Wärmeleitungseigenschaften. Der Bereich um das Bypassrohr herum beginnt, aufzuschmelzen, ein Durchgangsweg für das Wärmetransportfluid 30 wird gebildet. Die mögliche Ablösung des PCM-Materials 20 von dem Bypassrohr spielt hierbei praktisch keine wesentliche Rolle, da der sich ablösende Bereich von dem Wärmetransportfluid 30 gefüllt wird und somit in jedem Fall eine optimale Wärmeleitung gewährleistet ist. Ist ein Kanal als Durchgang durch das PCM für das Wärmetransportfluid 30 geschaffen, sinkt der Druck im Rohrleitungsnetz 15, da das Wärmetransportfluid 30 in den oberen Bereich 17 drückt. Das Bypass-Ventil 36 schließt. Die Bypass-Einrichtung 34, 36 ist vergleichbar mit einer Diesel-Vorglühanlage, die für den Startlauf eines Dieselmotors Bedeutung haben kann, im Normalbetrieb jedoch ungenutzt bleibt. Auch in einem besonders ungünstigen Fall, dass kein Durchkommen durch das PCM-Material 20 für das Wärmetransportfluid 30 gewährleistet ist, kann der Latentwärmespeicher 20 also sicher anfahren und mit hoher Wärmeübertragungsleistung Wärmeenergie in dem PCM 20 einspeichern.
• 3 zeigt eine Verteilerplatte 22 in runder Ausführung. Bei der Verteilerplatte 22 mündet mittig das die Zuführungseinrichtung 12, die das Wärmetransportfluid 30 zu dem Eintrittsbereich 16 befördert. Im regelmäßigen Abstand sind Öffnungen 24 auf der Verteilerplatte 22 angebracht. Die Öffnungen 24 können auch als Bohrungen, Löcher, Durchlässe etc. bezeichnet werden. Der Lochabstand kann beispielsweise 1 bis 2 Zentimeter betragen.
• 4 zeigt eine Aufsicht auf den PCM-Aufnahmebereich 21 des Speicherbehälters 10 mit eingefülltem PCM 20 sowie einem Zuführungsrohr 12, welches von oben durch das PCM 20 hindurchführt und das Wärmetransportfluid 30 zu dem Eintrittsbereich 16 unterhalb des PCM 20 führt.
• 5 zeigt derzeit bekannte Materialien, die prinzipiell zum Einsatz als PCM 20 geeignet sind.
• 6 zeigt eine detaillierte Auflistung von Parametern, die von ausgewählten PCM-Materialien 20 erfüllt werden.
• 7 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsform des Latentwärmespeichers 2. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform liegen nun zwei unterschiedliche PCM 20, 20' vor. Das erste PCM 20 und das zweite PCM 20' sind in einer Schichtanordnung in dem PCM-Aufnahmebereich 21 angeordnet. Das erste PCM 20 ist durch eine Speichermaterialtrennwand 19 von dem zweiten PCM 20' getrennt.
• Im Rahmen des beantragten Projektes wird ein neuartiger Wärmespeicher auf Basis von latenten Materialien vorgestellt, der bei maschinellen Vorgängen mit häufigem Temperaturwechsel, wie z.B. der Pressung und Härtung von Kunststoffformteilen erlaubt, einen erheblichen Teil der angewendeten Energie für eine nächste Charge wiederzuverwenden. Weiterhin kann er als transportable Einheit zum lokalen Verschieben von Wärme genutzt werden.
• Der Speicher wird im Rahmen des Projektes als Einheit von einem Kubikmeter Größe und mindestens 100 KWh Wärmespeichervermögen ausgeführt. Weiterhin sollen Auslegungswerkzeuge zum Up- und Downscale entwickelt werden.
• Wegen der bekannten und einleitend beschriebenen Probleme klassischer Latentwärmespeicher ist der Speicher als heterogenphasiger Speicher nach einem neuartigen Prinzip aufgebaut. Einer der Schwerpunkte dieses Projektes ist darauf konzentriert, mit Magnesiumnitrat ein neuartiges Latentspeichermaterial mit einer Schmelztemperatur von 89° C zu erproben, welches über die benötigten Eigenschaften verfügt.
• In einem Container (z.B. einem Metallbehälter, Kunststoffbehälter oder auch Tanksattelaufleger, Tankanhänger oder Tankkoffer) ist das Latentwärmespeichermaterial (PCM) eingebracht. Über Beladelanzen, die vorzugsweise parallel zum Boden in Bodennähe waagrecht verlaufen und mit Öffnungen versehen sind, wird Öl, welches seitens des Wärmeerzeugers (z.B. Kraftwerk, BHKW, zuvor erwärmte Heißpressmaschine) über einen Wärmetauscher aufgeheizt wurde, über einen außen liegenden Kreislauf und entsprechende Pumpvorrichtungen eingepumpt.
• Entladefall:
• Das PCM 20, beispielsweise Salzschmelze, hat eine deutlich höhere Dichte(1,5 bis 1,8 kg pro Liter) gegenüber dem Wärmetransportfluid 30 (ca. 0,9 kg pro Liter).
• Im flüssigen Latentwärmespeichermaterial 20 steigen die kalt eingebrachten Öltropfen 30 durch den Dichteunterschied auf und bilden im oberen Tankvolumen einen Öl(30)-Bereich 17. Dieser kann über obenliegende Rohre 18 oder andersgeformte schwimmende Auflagen 18b abgesaugt werden und im Kreislauf 15 einem Wärmetauscher 50 zugeführt werden. Die aufsteigenden Tropfen 30 bilden eine große Oberfläche, sodass ein sehr guter Wärmeübergang ermöglicht wird. Dadurch heizt sich das Öl 30 auf die Schmelztemperatur des Latentmaterials 20 auf. Durch diesen Vorgang wird die inhärente Wärme aus dem gespeicherten Latentwärmematerial 20 herausgeführt und dem Wärmetauscher 50 zugeführt. Auf der Sekundärseite des Wärmetauschers 50 befindet sich eine Wärmesenke 50a, also der Wärmeverbraucher. Im Falle eines Latentwärmematerials 20 mit einem Schmelzpunkt von Magnesiumnitrat mit 89 °C könnte die Prozedur z.B. bei 120 °C starten. Über dem Wärmeaustrag sinkt die Temperatur des Latentmaterials 20 in dem Speicherbehälter 10 auf 89 °C. Nun beginnen Auskristallisationsvorgänge. In aufwändigen Vorversuchen zur Vorbereitung des Projektes konnte festgestellt werden, dass die Öltropfen 30 oder -blasen 30 durch das auskristallisierte Latentmaterial 20 nicht behindert werden. Vielmehr bildet sich eine schwammartige Struktur. Der Vorgang lässt sich bis zur völligen Erstarrung des Latentmediums 20 fortsetzen.
• Die Kristallisationseigenschaften in diesem Prozess sind nicht nur ausschlaggebend für den Wärmetransport mittels des Wärmetransportfluids 30, sondern auch für die Lade- und Entladeleistung und die Zyklenfestigkeit des Latentwärmespeichers 2. Wird Wärme von beispielsweise 80 °C benötigt, kann der Feststoff (PCM) 20 noch als Speicher fühlbarer Wärme genutzt werden. Durch die Überhitzung und Unterkühlung des Gesamtsystems wird die Wärmekapazität des Systems erhöht. Es konnte weiterhin im Vorversuch festgestellt werden, dass auch nach längerer Standzeit die Kanäle sich nicht zusetzen. D. h., dass ein wiederholtes Anfahren des Transportbehälters zu einem Aufheizvorgang jederzeit möglich ist. Damit ist der Vorgang zyklenfest.
• Eine weitere wichtige Aufgabe liegt in der Konstruktion der Einbauten im Behälter. Um eine besonders effiziente Verteilung des Wärmeträgermediums 30 in dem Speichervolumen 10 zu erreichen, müssen die Zufuhrleitungen speziell ausgerichtet, angeordnet und mit Löchern 24 oder Schlitzen 24 versehen werden. Ein Eindringen von Salzen in die Rohre 15 muss z.B. durch geschickte Anordnung oder Rückschlagklappen 28 verhindert werden und bei optimiertem Druckverlust die ideale Tropfengröße 30 erhalten bleiben. Die oder zeigt schematisch solch einen Speicherbehälter 10.
• Je nach Anzahl und Durchmesser der einzelnen Durchgangslöcher 24 kann nicht nur die Kristallisation des Latentspeichermediums 20 beeinflusst werden, sondern auch die effektive Wärmetauscherfläche und dadurch die Lade- und Entladeleistung des Systems. Andererseits können zu kleine Tropfen 30 am Aufsteigen zu stark gehemmt werden.
• Ladefall (Fig. 1 und Fig. 2):
• Hier startet der Prozess im erstarrten Zustand des PCM 20 mit heißem Öl 30. Dieses durchdringt Kanäle in der Struktur des PCM 20, beispielsweise in der porösen oder schwammartigen Struktur, und schmilzt jeweils den Rand der Kanäle auf. Dadurch werden die Kanäle breiter und zu dem fluiden Öl 30 kommt als Flüssigkeit der aufgeschmolzene Teil des PCM 20, beispielsweise Mg-Nitrat.
• Anwendungsfall 1:
• Bei einer bestimmten Art Kunststoffformteil werden die zuvor entweder spritzgegossenen oder gesinterten Formteile in eine Maschine eingelegt und durch einen Heißpressvorgang hinsichtlich ihrer Funktionalität eingestellt. Diese kurzzeitige Heißpressung verbessert zum einen die Rissfestigkeit, die Elastizität, aber auch die Oberflächengüte im Sinne einer Glättung der Formteile.
• Diesen Verfahrensschritt energetisch hauptsächlich über Wärmerückgewinnung und intelligenter Zwischenspeicherung zu verbessern ist nur mit einem Speichersystem 2 möglich, welches die Wärme bei gleichbleibendem Temperaturniveau zur Verfügung stellt und dennoch eine kompakte Bauweise aufweist. Für diesen Fall müsste der Wärmespeicher 2 auf besonders schnelle Beladung getrimmt werden.
• Alle derzeit auf dem Markt befindlichen Maschinen arbeiten dergestalt, dass ein Heißdampf als Sattdampf mit 2–4 bar in die Maschine gepresst wird und in alle Ecken und Zwickel fließt, dort zum Teil kondensiert, die Kondensationswärme sowohl an die Maschine als auch an das Formteil abgibt und so die Anlage wieder verlässt. Aus Einstellgründen ist zunächst eine optimale Energieführung nicht möglich. Die Einstellung erfolgt dergestalt, dass der Dampf als teilkondensierter Dampf wieder aus der Maschine tritt. Das Kondensat/Dampfgemisch gibt seine Restwärme an noch nicht vollständig durchgeheizte Maschine ab, im Wesentlichen an die Metallteile der Maschine.
• Nach Abschluss des Pressvorganges nach einigen Minuten, wird die gesamte Maschine wieder zunächst auf ca. 100“C abgekühlt, damit die Formen nicht geschädigt werden und in einem weiteren Schritt bis 40°C gekühlt, damit die Formen entnommen werden können.
• Zur Wärmespeicherung wird ein Latentwärmespeicher 2 benötigt, der bei stabiler Temperatur die Wärmemengen bei ca. 90° einspeichern kann. Bei der nachfolgend zu produzierenden Charge kann diese Wärme dann genutzt werden, um die Maschine bis ca. 80°C vorzuwärmen.
• Damit könnte ca. die Hälfte der Aufheizenergie eingespart werden.
• Da der Pressvorgang 3 mal pro Stunde durchgeführt wird, liegt die Einsparung bei ca. 120 KWh/Stunde oder einer Reduzierung der benötigten durchschnittlichen Heizleistung von 120 KW.
• Die Kunden heizen i.d.R. mittels Ölbrenner, sodass eine KWh mit ca. 10 Cent zu veranschlagen ist. Damit ist eine Ersparnis von 12 €/h möglich. Bei 2-Schichtbetrieb liegt die Einsparung also ca. bei 30000.-€/Jahr.
• Wegen der hohen geforderten Leistung wären jedoch auch mehrere Speicher parallel zu schalten. Damit rechnet sich solch ein Speicher in kurzer Zeit.
• Als Teilaspekt werden Optimierungen der Zwischenspeicherung über Schichtentanks mit einer neuartigen Trennung zwischen den Lagen ausgeführt. Hiermit könnten noch kleinere Energiemengen zwischengespeichert werden.
• Ebenfalls kann sich der Einsatz von weiteren Latentmaterialien mit anderen Schmelzpunkten, insbesondere zusammen in einem Latentwärmespeicher 2, zur Effektivitätssteigerung eignen und sich als Einsatz lohnen. Die einzelnen phasenwechselnden Speichermaterialien 20 würden in diesem Fall sequentiell geladen/entladen werden.
• Anwendungsfall 2:
• In der Bundesrepublik Deutschland sind über 7.000 Blockheizkraftwerke installiert. Blockheizkraftwerke können einen elektrischen Wirkungsgrad von maximal 50% erreichen.
• Ein typisches BHKW von 500 kW elektrischer Leistung produziert damit also nochmals 500 kW an thermischer Leistung, die sehr häufig nicht genutzt wird. Damit steht theoretisch rund die Hälfte der erzeugten Energie als Abwärme und industrielle Prozesswärme zur Verfügung. Die Nutzung dieser Wärmemenge würde nicht nur den Gesamtwirkungsgrad von Blockheizkraftwerken steigern, sondern auch den Schadstoffausstoß insgesamt reduzieren, der den Einsatz fossiler Energieträger für die Wärmeerzeugung an anderer Stelle reduzieren würde.
• Eine derzeit teilweise angewendete Nutzung dieser thermischen Energie ist die Fernwärmeverteilung. Die Fernwärmenutzung setzt jedoch eine umfangreiche, aufwändige und kostenintensive Infrastruktur voraus und hat deutliche Transportverluste (10–15%).
• Bestehende Fernwärmenetze weisen oftmals ein verzweigtes Leitungsnetz auf und sind lediglich dort wirtschaftlich vertretbar, wo viele Endverbraucher relativ dicht beieinander wohnen (Beispiel: Großstädte und vergleichbar dicht besiedelte Ballungsräume) und große Kraftwerkseinheiten existieren. Die meisten Blockheizkraftwerke befinden sich jedoch nicht direkt neben Einfamilienhäuser oder anderen Wärmeverbrauchern. Für viele Gebiete ist es daher nicht wirtschaftlich Nah- und Fernwärmeverteilung zu implementieren. Dies gilt vor allem für ländliche Gebiete mit dünn besiedelten und weit verstreuten Wohneinheiten. In der Vergangenheit gab es bereits mehrfach Ansätze, die sich mit dem Thema beschäftigt haben. Dabei wurden Konzepte entwickelt, die es ermöglichen, Abwärme an einer Entnahmestelle in ein mobiles Speichersystem 2a zu überführen und an anderer Stelle in ein Wärmenetz wieder einzuspeisen (siehe ). Ein großes Manko dieser Konzepte und Systementwicklungen war, dass sie keine genügende Effizienz zur Abwärmenutzung aufwiesen und sich dadurch nicht auf dem Markt durchsetzen konnten. Durch die Entwicklung eines geeigneten Latentwärmespeichermediums (Phasenwechselmaterials) 20 mit höherer Phasenwechseltemperatur wird im Rahmen des Projektes ein wesentlicher technologischer Fortschritt im Bereich der mobilen Fernwärmenutzung erzielt, der erstmals eine breite Marktdurchdringung ermöglichen kann.
• Die Grundidee basiert auf einem wärmeisolierten Container 10, der die beiden nicht mischbaren Stoffe, das Latentwärmespeichermedium 20 und das Energietransportmedium 30, beinhaltet.
• Das Latentwärmespeichermaterial 20, das ein anorganisches Salz, ein Eutektikum aus Salzen oder eine Mischform aus Salzen sein kann, hat die Aufgabe, die zugeführte Wärme zu speichern. Diese zugeführte Wärme soll nach dem Transport zum entsprechendem Abnehmer 50a anschließend von einem Energietransportmedium aufgenommen und zum Wärmetauscher 50 geführt werden, wo dieses zur weiteren technischen Verwendung die Wärmemenge abgeben kann.
• Idealerweise kommen für die Wärmeübertragung zum Wärmetauscher Thermoöle 30 zum Einsatz. Diese haben den Vorteil, sich nicht bzw. nur sehr gering in dem Latentmaterial 20 zu lösen und weisen zusätzlich über einen weiten Temperaturbereich Temperaturstabilität auf.
• Die einzig am Markt zu findenden Beispiele arbeiten mit dem Latentmaterial Natriumacetat. Die theoretische Schmelztemperatur liegt bei 58,5 °C. Damit das Speichermedium zyklenfest wird, werden einige Zusätze beigemischt. Das Material weist jedoch prinzipielle Nachteile auf, die einer Verbreitung der Technologie im Wege stehen.
• Als Transportbehälter 10 können beispielsweise Tankcontainer 10 zum Einsatz kommen. Über einen Wärmetauscher 50 wird von außen an der Ladestation Energie zugeführt und in diesem an ein Wärmeträgeröl 30 abgegeben. Dieses wird über eine Pumpe 35 und ein Verteilersystem 15 von unten in den Speicher 10 gepumpt. Dort wird es mit dem Speichermedium 20 gemischt und gibt die enthaltene Energie ab. Das Salzhydrat 20 schmilzt und speichert diese Energie. Der geladene Behälter 10 wird dann zu einem Energieverbraucher 50a gefahren. Dort läuft der Prozess in der gleichen Weise ab, jedoch wird die Energie über den Wärmetauscher 50 an der Entladestation beispielsweise an einen Heizkreislauf abgegeben. Nach der Entladung wird der Speicher 10 zur Energiequelle zurückgebracht und der Kreislauf beginnt von vorne. Für die effiziente Speicherung von Wärme sind Latentwärmespeicher 2 besonders durch die Speicherung großer Wärmemengen in einem schmalen Temperaturbereich um den Phasenübergang geeignet. Weiterhin können Latentwärmespeicher 2 hohe Energiedichten bei weitgehend konstanter Betriebstemperatur realisieren. Damit lassen sich große Energiemengen reversibel und mit hohem Wirkungsgrad speichern. Wegen dieser Vorteile wurden in den letzten Jahren verstärkt Anstrengungen für eine technische Realisierung von Latentwärmespeichern 2 unternommen.
• Allgemeiner Einsatz:
• Nach bereits erfolgten wärmetechnischen Berechnungen muss für einige Anwendungsfälle damit gerechnet werden, dass der Erstarrungspunkt der PCM 20 sich nicht auf eine Temperatur konzentriert, sondern dass mehrere Temperaturstufen und somit mehrere PCM 20, also ein erstes PCM 20' und ein zweites PCM 20'', notwendig sind. Es soll also daher ein Latentwärmespeicher 2 entwickelt werden, der bei mehreren Temperaturstufen funktioniert. Hierbei ist ein kaskadierter Speicher 10, der von Öl 30 durchflossen wird, vorgesehen, bei dem das heiße Öl 30 durch die höchstschmelzende Latentmasse 20' durchgeleitet wird, dabei die Energie abgibt, danach das Material 20'' mit der zweithöchsten Temperatur durchströmt usw. Auf diese Weise kann das Öl 30 relativ stark abgekühlt werden und danach seine Energie aus einem Niedertemperaturbereich der Anlage zunächst beziehen, auf die nächste Stufe erwärmt werden und quasi im Gegenstrom wieder auf die Maximaltemperatur angewärmt werden.
• Weiterhin erfolgt in BHKW-Anlagen die Wärmeauskopplung anteilig aus Motor- und Abgasabwärme. Der Temperaturbereich der ausgekoppelten Wärme liegt wegen der erforderlichen Motorkühlung zwischen ca. 90°C, bei heißgekühlten Motoren bis 110 °C Vorlauftemperatur, während die Abgaswärme in einem Temperaturbereich bis zu 460 °C anfällt.
• Da die Schmelztemperatur von Natriumacetat 20 bei 58,5 °C liegt, entspricht dieses Medium nicht den Nutztemperaturen und kann dadurch nicht effektiv die Abwärme nutzen. Die Temperaturen werden beim Vorgang der Speicherbeladung unnötig heruntergekühlt. Die vorhandenen hohen Temperaturen stehen beim Anwender dann nicht mehr zur Verfügung. Im in 5 dargestellten Diagramm werden die einzelnen Gruppen von Latentwärmespeicher-Medien 20 in Abhängigkeit von der Schmelzenergie und Schmelztemperatur dargestellt.
• Betrachtet man das Diagramm der 5, so kann man feststellen, dass Chloride, Karbonate und Fluoride eine Schmelztemperatur größer 400 °C haben. Salzhydrate, Fettsäuren, Paraffine, Nitrate und Hydroxide haben Schmelztemperaturen unter 400 °C aber auch geringere Schmelzenergien als Chloride, Karbonate und Fluoride. Ein wesentlicher Nachteil im Einsatz von Chloriden liegt in der ausgehenden Gefahr für Mensch und Umwelt. Ein weiterer wichtiger Aspekt in dieser Forschung ist aber auch die Arbeitstemperatur.
• Da hier die Primärenergie aus BHKW, d.h. die Motor und Abgasabwärme als Nutztemperatur eingesetzt werden soll, ist zu beachten, dass die Schmelztemperatur etwa der Arbeitstemperatur, sprich die Temperatur, die zum Einspeisen eingesetzt werden soll, entspricht.
• Da diese Wärme in Schulgebäuden oder Schwimmbädern eingespeist werden soll und vor allem in Warmwasserverteilungsanlagen, Schwimmbädern und Krankenhäusern und das Problem der Legionellenvermehrung im Trinkwasser vorhanden ist, muss darauf geachtet werden, dass die Warmwasserheizung mindestens einmal pro Woche für 3 Minuten bei mindestens 71°C betrieben werden muss.
• Berücksichtigt man diese Randbedingungen und betrachtet die in 6 dargestellte Tabelle, so kann festgehalten werden, dass alle Stoffe mit einer Schmelztemperatur kleiner 80°C diese Anforderungen nicht erfüllen. Beschränkt man sich ausschließlich auf die Gebäudeheizung, muss der Nutzer für die Trinkwassererwärmung ein getrenntes System anschaffen, was den Aufwand erhöht.
• Gemäß Tabelle 1 sind neben Schmelztemperaturen, Speichervermögen und Kapazität, die sich auf 2 t Wärmespeichervermögen als Auslegungsbeispiel des entsprechenden Stoffes 20 beziehen, auch die Kosten in US$ pro metrische Tonne dargestellt.
• Für die Auswahl des Latentmaterials 20 unter dem Aspekt des Preis-Leistungs-Verhältnisses gilt, dass Latentwärmespeichermedien 20 wie z. B. Lithiumnitrat, die zwar eine Speicherwärmemenge von ca. 100 kWh/t zulassen, jedoch mit 7100 US$ pro Mt aus dem Preis-Leistungs-Bereich fallen, für die weitere Betrachtung ausgeschlossen werden können. Dasselbe trifft auch auf Bariumhydroxid zu. Mit einer Leistung von 70 kWh/t Wärmespeichervermögen und 1000 US$ pro Mt fällt auch dieses Medium aus der Betrachtung.
• Das Latentwärmespeichermedium 20 Natriumacetat-Trihydrat hat zwar eine Leistung von 70 kWh/t, ist jedoch aufgrund der geringen Schmelztemperatur von 58°C, einem Preis von 800 US$ pro Mt und der starken Unterkühlung nicht optimal für den Einsatz zur mobilen Latentwärmespeicherung in einem Latentwärmespeicher 2 geeignet. Es wird dennoch bisher verwendet, weil es am besten wissenschaftlich untersucht ist.
• Hält man sich alle diese Aspekte vor Augen, so lässt sich in erfinderischer Weise schlussfolgern, dass nur Magnesiumnitrat, Ammoniumalaun oder Magnesiumchlorid in Betracht kommen. In umfangreichen Voruntersuchungen konnte festgestellt werden, dass das Magnesiumnitrat nicht bzw. nur gering zur Unterkühlung neigt und sich besonders im Prozess des Wärmetransports zwischen dem Speichermedium 20 und dem Wärmeträgerfluid 30 gut verhält.
• Dieses Phasenwechselmaterial 20 hat ein kongruentes Schmelzverhalten. Bisherige ausführliche Langzeittests zeigen keinerlei Alterungserscheinungen. Im Rahmen des Projektes sind weitere Langzeitversuche geplant. Weitere vielversprechende Latentwärmespeichermedien sind Ammoniumalaun und Magnesiumchlorid. Beide liegen in einem ausgezeichneten Preisbereich (200 und 300 US$ pro Mt).
• Ammoniumalaun ist zudem ungiftig und in vielen Lebensmitteln mit enthalten, sodass es bei diesem Latentwärmespeicher 2 bezüglich der Umweltverträglichkeit keine Bedenken gibt.
• Entwicklung des Gesamtsystems, incl. Transport, Kupplung, Abstellplatz
• Im Rahmen des Projektes wird eine Pilotanlage mit der Baugröße von ca. 2 t realisiert. Weiterhin soll die letztendliche Auslegungsgröße von bis zu 60 t geplant und am Reißbrett entwickelt werden. Der angedachte Groß-Container 10 soll auf ein Gesamtgewicht von 60 t ausgelegt werden. Dies ermöglicht den Transport einer Kapazität mit dem Latentmaterial 20 Magnesiumnitrat von mehr als 2,8 MWh. Der Container koppelt an der Wärmequelle 20b, wobei das leckagefreie Kupplungssystem 52 zwischen Containeranschluss und Schlauch als ein bewährtes System aus der LKW-Tanklogistik umgesetzt werden soll. Durch die unterschiedlichen Größen der Kupplungen ist ein Vertauschen von Vor- und Rücklauf ausgeschlossen. Die Andockstation könnte aus 2 gedämmten und gestützten Schläuchen mit je einer Anschlusskupplung bestehen. Für die Anlieferung der Container 10 ist eine waagrechte Stellfläche für zwei parallel abzustellende Containerchassis notwendig.
• Die Kostenkalkulation für eine Tankzugausführung ergibt sich aus der Arbeitszeit für den Fahrer und die Abschreibung auf die genannte Anlage. Nach ersten Berechnungen zeigt sich, dass mit einem Transportfahrzeug etliche Tanks bedient werden müssen, weil die kostentreibende Komponente das Transportfahrzeug ist.
• Die aufgezeigte Beherrschung der neuen Latentwärmespeichermaterialien Magnesiumnitrat, Aluminiumalaun oder Magnesiumchlorid, deren Phasenübergangstemperaturen bei einer geeigneten Wärmeabnahmetemperatur liegen aber auch im geeigneten Nutztemperaturbereich für Heizwasserversorgung (höher 70 °C) ist hierfür eine erste Voraussetzung. Mit diesen Materialien kommen erstmals Medien auf den Markt, die den Anforderungen der Wärmenutzer entsprechen und damit wirtschaftlich sind. Durch die Berechnung und Simulation der inneren Geometrien und Ausrichtungen der Verteilerrohre 15 des Tankcontainers 10 wird eine bestmögliche Wärmeverteilung vom Wärmeträger 30 zum Latentmedium 20 sowie ein entsprechendes Fluidverhalten gewährleistet, sodass die Lade- und Entladeleistung optimiert ist.
• Für die Gesellschaft für Energie und Trocknungstechnik ergeben sich durch dieses Projekt neue Herausforderungen in der verfahrenstechnischen Umsetzung aber auch in dem logistischen Aufwand. Die Hochschule Mannheim, die bereits viele Erfahrungen auf dem Gebiet der Energiespeicherung durch vorherige und laufende Projekte angesammelt hat, kann ihre Expertise weiter ausbauen und sich nun auch Richtung dezentraler Energieversorgung Kompetenzen aneignen und in diesem Sektor aktiv wissenschaftlich beschäftigen und etablieren.
• Technische Funktionalität und relevante Parameter Zusammengefasst konnte in einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung eine Speichereinheit für Wärme gezeigt werden, die in vorteilhafter Weise die folgenden Eigenschaften vereint:
• – > 100KWh/m³ Wärme speichern
• – Eine Be- und Entladeleistung von 10KW pro Einheit
• – Arbeitet mit organischen Wärmeübertragungsmedium
• – Enthält als anorganisches PCM-Material hauptsächlich Mg-Nitrat
• – Gesamtkosten für den Wärmetransport < 6 Cent/KWh
• – Bis zu 120 °C beladen
• – Bis zu 50 °C entladen
• Damit, wie auch mit den anderen gezeigten Ausführungsformen und der allgemeinen Abhandlung der Erfindung, sind insgesamt wesentliche und deutlich über den Stand der Technik hinausgehende Innovationen realisiert.
• Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
• Bezugszeichenliste

2

Latentwärmespeicher

10

Speicherbehälter

12

Zuführungsrohr

14

Abführungsrohr

15

Rohrleitungsnetz

16

Eintrittsbereich

17

Oberer Bereich

18

Wärmetransportfluidabführeinrichtung

18a

Wärmetransportfluidauslass

18b

Schwimmender Abzug

19

Speichermaterialtrennwand

20

phasenwechselndes Speichermaterial (PCM)

20a

Magnesiumnitrat-Hydrat

20b

Magnesiumchlorid-Hydrat

20c

Ammoniumalaun

21

PCM-Aufnahmebereich

22

Verteilerplatte

24

Öffnungen

26

Rückstromverhinderer, beispielsweise Matte

28

Schlitze

28a

Überlappungen

30

Wärmetransportfluid

34

Bypass

35

Pumpe

36

Bypass-Ventil

40

Stabgerippe

40'

Stab

42

Stabende

44

Stützvorrichtung bzw. Aufhängung

46

Pfeil

50

Wärmetauscher

50a

Verbraucher oder Wärmesenke

50b

Wärmequelle

52

Wärmetransportkupplung oder Umgebung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 19533621 [0012, 0013, 0014, 0015]

Claims (25)

1. Latentwärmespeicher (2) zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie, umfassend: ein phasenwechselndes Speichermaterial (PCM; 20) als Wärmespeicher, einen Speicherbehälter (10) zur Aufnahme des phasenwechselnden Speichermaterials (20), ein Wärmetransportfluid (30) zum Einbringen von Wärmeenergie in den Speicherbehälter (10) und/oder zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Speicherbehälter (10), eine Pumpeinrichtung (35) zum Umwälzen des Wärmetransportfluids (30), eine Wärmetransportfluidabführeinrichtung (18, 18a, 18b), einen in dem Speicherbehälter (10) angeordneten Eintrittsbereich (16), innerhalb welchem das Wärmetransportfluid (30) in den Speicherbehälter (10) eintritt, eine in dem Speicherbehälter (10) angeordnete Verteilerplatte (22), wobei die Verteilerplatte (22) von dem Wärmetransportfluid (30) durchströmbar ist und den Eintrittsbereich (16) von dem phasenwechselnden Speichermaterial (20) trennt, wobei das phasenwechselnde Speichermaterial (20) von dem Wärmetransportfluid (30) in dem Speicherbehälter (10) umspülbar ist, um Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid (30) und dem phasenwechselnden Speichermaterial (20) auszutauschen.
2. Latentwärmespeicher (2) nach Anspruch 1, wobei das phasenwechselnde Speichermaterial (20) im Wärmetransportfluid (30) unlöslich oder von geringer Löslichkeit ist.
3. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verteilerplatte (22) mehrere Öffnungen (24) umfasst zum Durchlassen des Wärmetransportfluids (30) zu dem phasenwechselnden Speichermaterial (20).
4. Latentwärmespeicher (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Öffnungen (24) in regelmäßigem Abstand an der Oberseite der Verteilerplatte (22) angeordnet sind und/oder wobei der jeweilige Abstand der Öffnungen (24) zueinander im Bereich von 1 bis 10 cm, bevorzugt von 1 bis 5 cm, liegt und/oder wobei die Öffnungen (24) eine Weite von 1 bis 4 mm, vorzugsweise 2 bis 3 mm, aufweisen.
5. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Stabgerippe (40, 40') mit über den Öffnungen (24) angeordneten Stabenden (42), so dass Strähnen aus Wärmetransportfluid (30) entlang der Stäbe (40') leitbar sind.
6. Latentwärmespeicher (2) nach dem vorherigen Anspruch, wobei die Öffnungen (24) der Verteilerplatte (22) durch die Stabenden (42) verschließbar sind zum Abdichten der Öffnungen (24) gegen das phasenwechselnde Speichermaterial (20) und/oder wobei die Stabenden (42) anhebbar sind und/oder die Stabenden (42) von dem Wärmetransportfluid (30) angehoben werden, wenn der Eintrittsbereich (16) des Wärmetransportfluids (30) einen Drucküberschuss gegenüber dem phasenwechselnden Speichermaterial (20) aufweist.
7. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verteilerplatte (22) einen Rückstromverhinderer (26) zum Abhalten des phasenwechselnden Speichermaterials (20) von dem Eintrittsbereich (16) umfasst.
8. Latentwärmespeicher (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der Rückstromverhinderer (26) eine Matte (26), insbesondere eine Gummimatte, umfasst zum Abdichten der Verteilerplatte (22) gegen das phasenwechselnde Speichermaterial (20), wobei die Matte (26) über den Öffnungen (24) liegende Schlitze (28) oder Überlappungen (28a) zum Durchlassen des Wärmetransportfluids (30) aufweist.
9. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Wärmetransportfluid (30) eine organische Flüssigkeit, ein Öl, insbesondere ein organisches Öl und/oder ein Thermoöl, oder ein anorganisches Fluid z.B. Wasser, umfasst und/oder wobei das Wärmetransportfluid (30) eine von dem phasenwechselnden Speichermaterial (20) unterschiedliche Dichte aufweist.
10. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine durch das phasenwechselnde Speichermaterial (20) führende Zuführeinrichtung (12), insbesondere ein Zentralrohr (12), zur Zuführung des Wärmetransportfluids (30) in den Eintrittsbereich (16).
11. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein durch das phasenwechselnde Speichermaterial (20) führendes Bypassrohr (34) für das Wärmetransportfluid (30) zum Aufrechterhalten einer Mindestzirkulationsmenge des Wärmetransportfluids (30), wobei das phasenwechselnde Speichermaterial (20) mittels des Bypassrohres (34) erhitzbar ist, so dass das phasenwechselnde Speichermaterial (20) in einem Bereich um das Bypassrohr (34) schmelzbar ist und einen Durchlassbereich in dem phasenwechselnden Speichermaterial (20) für das Wärmetransportfluid (30) bildet.
12. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen schwimmenden Abzug (18, 18a, 18b) zum Absaugen des durch das phasenwechselnde Speichermaterial (20) hindurchgetretenen Wärmetransportfluids (30).
13. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das phasenwechselnde Speichermaterial (20) Magnesiumnitrat-Hydrat (20a), Magnesiumchlorid-Hydrat (20b) und/oder Ammoniumalaun (20c) umfasst, oder wobei das phasenwechselnde Speichermaterial (20) ein anorganisches Salz und/oder deren Hydrate, ein Eutektikum aus Salzen und/oder deren Hydrate oder eine Mischform aus Salzen und/oder deren Hydrate umfasst, oder wobei das Wärmetransportfluid (30) Wasser oder ein anderes anorganisches Fluid und das phasenwechselnde Speichermaterial (20) Öl, Wachs oder organisches Material umfasst.
14. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Wärmetransportkupplung (52) zum Verbinden des Latentwärmespeichers (2) mit einer äußeren Wärmequelle (50b) oder Wärmesenke (50a), derart ausgestaltet, dass das Wärmetransportfluid (30) durch die Wärmetransportkupplung (52) zu der äußeren Wärmequelle (50b) oder Wärmesenke (50a) führbar ist.
15. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Wärmetauscher (50) zum Austauschen der von dem Wärmetransportfluid (30) transportierten Wärmeenergie mit einer externen Wärmequelle (50b) oder Wärmesenke (50a).
16. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das phasenwechselnde Speichermaterial (20), insbesondere mittels des Stabgerippes (40) nach Anspruch 5 oder 6, beim Aushärten eine schwammartige Struktur ausbildet, die für das Wärmetransportfluid (30) durchlässig ist.
17. Latentwärmespeicher (2) zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie, umfassend: als Wärmespeicher ein erstes phasenwechselndes Speichermaterial (PCM; 20, 20a, 20b, 20c) und zumindest ein zweites phasenwechselndes Speichermaterial (PCM; 20') mit einer von dem ersten phasenwechselnden Speichermaterial unterschiedlichen Phasenübergangstemperatur, einen Speicherbehälter (10) zur Aufnahme des ersten und des zweiten phasenwechselnden Speichermaterials (20, 20a, 20b, 20c, 20'), ein Wärmetransportfluid (30) zum Einbringen von Wärmeenergie in den Speicherbehälter (10) und/oder zum Abführen von Wärmeenergie aus dem Speicherbehälter (10), eine Pumpeineinrichtung (35) zum Umwälzen des Wärmetransportfluids (30), eine Wärmetransportfluidabführeinrichtung (18, 18a, 18b), einen in dem Speicherbehälter (10) angeordneten Eintrittsbereich (16), innerhalb welchem das Wärmetransportfluid (30) in den Speicherbehälter (10) eintritt, und wobei das erste und das zumindest eine weitere phasenwechselnde Speichermaterial (20, 20a, 20b, 20c, 20') von dem Wärmetransportfluid (30) in dem Speicherbehälter (10) umspülbar ist, um Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid (30) und dem ersten und dem zumindest einem weiteren phasenwechselnden Speichermaterial (20, 20a, 20b, 20c, 20') auszutauschen.
18. Latentwärmespeicher (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das erste (20, 20a, 20b, 20c) und das zweite (20') phasenwechselnde Speichermaterial in kaskadierender Anordnung zueinander in dem Speicherbehälter (10) angeordnet sind, so dass das Wärmetransportfluid (30) zunächst durch das phasenwechselnde Speichermaterial mit der höchsten Dichtedifferenz zu dem Wärmetransportfluid führbar ist.
19. Latentwärmespeicher (2) nach einem der Ansprüche 17 oder 18, wobei das erste phasenwechselnde Speichermaterial (20, 20a, 20b, 20c) und das zumindest eine weitere phasenwechselnde Speichermaterial (20') übereinandergeschichtet angeordnet ist, so dass ein Latentschichtenspeicher (2) gebildet ist.
20. Latentwärmespeicher (2) nach einem der Ansprüche 17 bis 19, ferner umfassend eine Speichermaterialtrennwand, wobei das erste phasenwechselnde Speichermaterial (20, 20a, 20b, 20c) mittels der Speichermaterialtrennwand von dem zweiten phasenwechselnden Speichermaterial (20') getrennt angeordnet ist.
21. Latentwärmespeicher (2) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Speichermaterialtrennwand von dem Wärmetransportfluid (30) durchströmbar ist.
22. Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Speicherbehälter (10) von einem wärmeisolierten Container, einem Tank, insbesondere einem Öltank, oder einem Tankcontainer gebildet wird.
23. Mobiles Wärmetransportsystem zum rohrleitungsunabhängigen Transport von Wärmeenergie, umfassend einen Latentwärmespeicher (2) nach einem der vorigen Ansprüche, eine Transportplattform zum Aufnehmen und zum Bewegen des Latentwärmespeichers, mit zumindest einer Wärmetransportkupplung (52), so dass der Latentwärmespeicher (2) abwechselnd an Wärmequellen (50b) und an von den Wärmequellen entfernten Wärmenutzern (50a) ankoppelbar ist.
24. Verfahren zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie in einem Latentwärmespeicher (2), umfassend die Schritte: Pumpen und Einströmenlassen von Wärmetransportfluid in einen Eintrittsbereich (16) eines Speicherbehälters (10), Durchströmenlassen einer Verteilerplatte (22) durch das Wärmetransportfluid (30) zu einem phasenwechselnden Speichermaterial (20), Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid (30) und dem phasenwechselnden Speichermaterial (20), Absaugen des Wärmetransportfluids (30) von einem Randbereich des phasenwechselnden Speichermaterials (20) oder von einer dem phasenwechselnden Speichermaterial überstehenden Schicht des Wärmetransportfluids (30), Zuführen des Wärmetransportfluids (30) zu einem Wärmetauscher (50) zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid (30) und dem Wärmetauscher (50).
25. Verfahren zum reversiblen Einspeichern von Wärmeenergie in einem Latentwärmespeicher (2), umfassend die Schritte: Pumpen und Einströmenlassen von Wärmetransportfluid (30) in einen Eintrittsbereich (16) eines Speicherbehälters (10), Durchströmenlassen einer Verteilerplatte (22) durch das Wärmetransportfluid (30) zu einem ersten phasenwechselnden Speichermaterial (20) und Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid (30) und dem ersten phasenwechselnden Speichermaterial (20) und/oder Durchströmenlassen der Verteilerplatte (22) durch das Wärmetransportfluid (30) zu einem zweiten phasenwechselnden Speichermaterial (20') und Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid (30) und dem zweiten phasenwechselnden Speichermaterial (20'), Absaugen oder Abfließenlassen des Wärmetransportfluids (30) von einem Randbereich des phasenwechselnden Speichermaterials oder von einer dem phasenwechselnden Speichermaterial überstehenden Schicht des Wärmetransportfluids (30), Zuführen des Wärmetransportfluids (30) zu einem Wärmetauscher (50) zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen dem Wärmetransportfluid (30) und dem Wärmetauscher (50).

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