DE19929861A1 - Speicherverbundsysteme, bestehend aus Schmelzwärme-Speichermaterialien in porösen Trägermaterialien - Google Patents

Speicherverbundsysteme, bestehend aus Schmelzwärme-Speichermaterialien in porösen Trägermaterialien

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Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Speicherung von Wärme oder Kälte nach Anspruch 1, das von einer Umhüllung eingeschlossen ist.
Durch die zeitliche Entkopplung von Energieangebot und -nachfrage, ist die Technologie der Speicherung thermischer Energie sehr wichtig. Vor allem durch die Anwendung von periodisch zur Verfügung stehenden Energiequellen, wie z. B. der Sonnenenergie kann einerseits Energie eingespart werden, und andererseits ein wirtschaftlicher Vorteil erzielt werden.
Es ist bekannt, daß zur Speicherung von Wärme oder Kälte Phasenübergänge mit einer Wärmetönung teilweise auch zusammen mit chemischen Reaktionen verwandt werden können. In Frage kommen Materialien mit fest/fest, oder flüssig/fest Phasenübergängen. Sehr häufig werden Stoffe mit dem Phasenübergang fest/flüssig - meist als PCM (phase change material) bezeichnet - vorgeschlagen, so z. B. Wasser zur Kältspeicherung.
Die meisten Anwendungen für PCMs liegen im Temperaturbereich von -25 bis 150°C.
Bei diesen Energiespeichermöglichkeiten ergeben sich aber eine oder mehrere der folgenden technischen Schwierigkeiten, die überwunden werden müssen: Trennung von Komponenten, Agglomeration, geringe thermische Leitfähigkeit, Unterkühlung beim Phasenübergang, schlechte Integrationlösungen in Produktionsprozesse.
Es ist bekannt, daß PCMs für fest-flüssig Phasenübergänge in Matrizen aus verschiedenen Materialien eingebracht werden können. So wurde z. B. vorgeschlagen, PCM als Speicher in eine nicht gehärtete Polymermatrix einzubauen (US 4 003 426). Wie in dem Patent angegeben, ist diese Methode aber nur bei solchen Speichermaterialien für thermische Energie brauchbar, die stabile Dispersionen mit den nicht gehärteten Polymeren ergeben, was lediglich für einige wenige Stoffe möglich ist.
Ebenso ist bekannt, PCM in expandierten Graphit einzuschließen (WO 98/04644). Solche Verbindungen garantieren allerdings keinen dauerhaften Einschluß der PCM und sind mechanisch weich. Des weiteren ist die Verarbeitung von Graphit bei Baumaterialien aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften nicht unproblematisch, und die resultierenden Materialien weisen die typische schwarze Graphitfarbe auf, was häufig nicht erwünscht ist.
Wie man aus diesen Beispielen sieht, ist es schwierig, mit herkömmlichen Mitteln, für eine bestimmte Anwendung, insbesondere im Baubereich, ein geeignetes Speicherverbundmaterial bereitzustellen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 16.
Es wurde überraschend festgestellt, daß in porösen Trägermaterialien, vorzugsweise granularen Leichtzuschlagstoffen PCM in hohem Umfang aufgenommen werden kann. Zudem können die PCM dauerhaft eingeschlossen werden, wenn man das Trägermaterial mit einer Umhüllung umgibt. So entstehende Granulate können mit den bestehenden Techniken auf einfache Weise in Baustoffe und andere Materialien integriert werden. Sie weisen gegenüber allen anderen bekannten Stoffen eine hohe mechanische Stabilität und deutliche verfahrenstechnische Vorteile auf. Überdies trägt die Matrix selbst zur Keimbildung bei der Phasenumwandlung und verhindert damit eine Unterkühlung des PCM.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das hier beschriebene Speicherverbundmaterial preiswert, ökologisch und leicht herstellbar ist.
Um eine wirtschaftlich sinnvolle Wärme- bzw. Kältespeicherung sicherzustellen muß entsprechend viel PCM in das Trägermaterial eingebracht werden. Die Herstellungsverfahren für derartige Speicherverbundmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung stellen diese hohe Beladung mit PCM sicher. Es sind typische Beladungen von 40-80 Gewichtsprozent möglich.
Zur Beladung genügt bei offenporigen Materialien eine Lagerung in der flüssigen PCM-Phase um das Eindringen des PCM zu erreichen. Beschleunigt werden kann dies noch durch das Anlegen von erhöhten Temperaturen und/oder das Anlegen eines Vakuums an Trägermaterial und PCM. In jedem Fall dürfen sowohl Trägermaterial, als auch PCM nicht über den Verdampfungspunkt des PCM erhitzt werden, um dessen Verflüchtigung zu verhindern.
Die Verbindung zwischen Trägermaterial und PCM muß dauerhaft gestaltet werden. Aus diesem Grund ist die Umhüllung des infiltrierten Granulats gemäß der vorliegenden Erfindung ein weiterer wichtiger Aspekt. Eine dauerhafte Integration des PCM kann durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden, beispielsweise durch eine nachträgliche Umhüllung der PCM-gefüllten Trägermaterialien mit einer Kunststoffschicht, wie Teflon. Ebenso sind hydraulische Bindemittel, Wasserglas, Harze, Silikate oder Silikone zu diesem Zweck möglich. Es kann vorkommen, daß sich bei der Umhüllung keine geschlossene Schicht ausbildet, sondern daß die Hüllmaterialien lediglich diejenigen Poren des Trägermaterials verstopfen aus denen das PCM ansonsten herausfließen würde. Dies ist eine technisch akzeptable Lösung. Weiterhin ist es möglich, daß auf eine gesonderte Umhüllung nach der PCM-Beladung von Granulaten verzichtet werden kann, und die Umhüllung des Speicherverbundsystems durch den Materialverbund gebildet wird, in das das Speicherverbundsystem eingebettet wird. Hierbei kann es teilweise zu einer Wechselwirkung des PCM-Materials mit der umgebenden Matrix, z. B. Gips, kommen. Es ist daher bei der Auswahl der Einbettmaterialien sicherzustellen, daß keine chemischen Reaktionen mit dem PCM stattfinden. Ein rein physikalisches Aufsaugen des PCM durch das das Granulat umgebende Material ist hingegen weitgehend unschädlich für die Wärme- bzw. Kältespeicherung und kann daher ebenfalls als dauerhafte Integrationsmethode angesehen werden.
Neben der Integration in Granulate, z. B. Leichtzuschlagstoffe, kann auch ein Einschluß der PCM in andere anorganisch nichtmetallische Materialien erfolgen, wie z. B. in Porenbeton, Ziegel, Keramiken. Hier kann bei der Befüllung und Umhüllung mit den gleichen Verfahren gearbeitet werden. Dabei können größere Einheiten mit einer Dimension bis zu mehreren IOcm erreicht werden. Es können beispielsweise Steine mit PCM getränkt und anschließend mit einem Bindemittel umhüllt werden.
Als PCM selbst kommen alle Materialien in Frage, die im Temperaturbereich von -25°C bis 150°C einen Phasenübergang aufweisen. Für Baumaterialien ist dieser Phasenübergang vorzugsweise im Bereich von 10°C bis 30°C, für einzelne Anwendungen, z. B. in der Solarenergienutzung, kann sich der Temperaturbereich auch bis 100°C erstrecken.
Die Materialien, die für die Anwendungen in Frage kommen sind PCMs aus einem Gemisch, insbesondere aus einem eutektischen oder kongruent schmelzenden Gemisch einer oder mehrere der folgenden Komponenten:
PCM können des weiteren aus eutektischen oder kongruent schmelzenden Gemisch einer oder mehrerer der folgenden Komponenten bestehen: Paraffine, Fettsäuren, Oligomere, Glykole, Alkohole, Caprylsäure.
Chlathrate bildende Substanzen sind ebenfalls denkbar.
Beispiel
Das folgende Beispiel zeigt einen Versuch mit Paraffin als PCM. Paraffin hat als Wärmespeichermittel viele Vorteile, wie insbesondere eine hohe Speicherdichte, jedoch auch Nachteile, wie das schwierige Handling bei der Einbringung und der Stabilität des Paraffin in Baumaterialien.
Wie im Folgenden aufgezeigt wird, kann dieser Nachteile durch die Erfindung vermieden bzw. entscheidend gemildert werden.
Beispiel 1
Es wurden Blähtongranulate mit einer Korngröße von 4-8 mm in 100°C heißem Paraffin über einen Zeitraum von 1 Stunde eingekocht und dadurch mit PCM befüllt. Die Beladung mit Paraffin wurde mit 70 Gewichts-% ermittelt.
Nach der Erstarrung des Paraffin im Granulat wird Teflon als Umhüllung auf das Speicherverbundsystem aufgebracht und getrocknet.
Der Verbund wurde mehre Male im Wechsel über die Schmelztemperatur des PCM von 24°C erhitzt und wieder unter die Schmelztemperatur auf 7°C abgekühlt. Auch nach mehrmaligen vollständigen Schmelz- und Erstarrungsvorgängen konnte kein negativer Einfluß auf die Stabilität des Speicherverbundsystems festgestellt werden.

Claims (16)

1. Speicherverbundsystem zur Wärme- oder Kältespeicherung, bestehend aus einem ein oder mehrere Phasenübergänge durchlaufenden Schmelzwärmespeichermaterial (PCM) in den Poren eines porösen Trägermaterials, dadurch gekennzeichnet, daß offenporige, schaum- oder schwammartige oder flüssigkeitsaufnehmende vorwiegend mineralische Trägermaterialien mit einem organischen oder anorganischen Schmelzspeichermaterial ganz oder teilweise gefüllt und das Speicherverbundmaterial mit organischen oder anorganischen Materialien umhüllt ist und daß die PCM dauerhaft eingeschlossen sind.
2. Speicherverbundsysteme nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien in Granulatform vorzugsweise mit Teilchengrößen von 0,5 mm bis 15 mm vorliegen.
3. Speicherverbundsysteme nach den Ansprüchen 1) oder 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien Leichtzuschlagstoffe, wie Blähtone, Bims, Blähschiefer, Perlite, Blähglas, Kesselsande, Flugaschen oder Hydrokultursubstrate sind.
4. Speicherverbundsysteme nach den Ansprüche 2) und/oder 3), dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der mit PCM beaufschlagten Trägermaterialien mit einer dünnen Schicht um die Granulatkörner erfolgt.
5. Speicherverbundsysteme nach einem oder mehreren der Ansprüche 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung der mit PCM beaufschlagten Trägermaterialien durch das Material oder den Materialverbund gebildet wird, in das die granularen Speicherverbundsysteme eingebettet werden.
6. Speicherverbundmaterial nach Anspruch 1), insbesondere in Zusammenhang mit einem Trägermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das PCM einen oder mehrere Phasenübergänge flüssig-fest, fest-flüssig und/oder fest-fest im Temperaturbereich von -25 Grad Celsius bis 150 Grad Celsius aufweist.
7. Speicherverbundmaterial nach Anspruch 6), dadurch gekennzeichnet, daß das PCM aus einem Gemisch, insbesondere aus einem eutektischen oder kongruent schmelzenden Gemisch einer oder mehrere der folgenden Komponenten besteht:
8. Speicherverbundmaterial nach Anspruch 6), dadurch gekennzeichnet, daß das PCM aus einem eutektischen oder kongruent schmelzenden Gemisch einer oder mehrerer der folgenden Komponenten besteht: Paraffine, Fettsäuren, Oligomere, Glykole, Alkohole, Caprylsäure.
9. Speicherverbundmaterial nach Anspruch 6), dadurch gekennzeichnet, daß das PCM ein Chlathrate bildende Substanz ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Speicherverbundmaterials nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das PCM in flüssiger Form durch Vakuumimprägnierung in ein Trägermaterial eingebracht wird, in dem das Trägermaterial evakuiert und in evakuiertem Zustand mit einem Behälter mit dem flüssigen PCM verbunden wird, so daß das flüssige PCM in das Trägermaterial gesaugt wird.
11. Verfahren zur Herstellung eines Speicherverbundsystems nach Anspruch 1) bis 9) dadurch gekennzeichnet, daß das PCM und /oder das Trägermaterial vor, während oder nach der Imprägnierung über die Schmelztemperatur bis maximal zur Verdampfungstemperatur des PCM erwärmt wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Speicherverbundmaterials nach Anspruch 1) bis 9), dadurch gekennzeichnet, daß das PCM in flüssiger Form erhitzt und das Trägermaterial darin eingetaucht eine gewisse Zeit verbleibt, bis das flüssige PCM in das Trägermaterial eingedrungen ist.
13. Verfahren nach Anspruch 10) und 12), dadurch gekennzeichnet daß das PCM während der Imprägnierung siedet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10) bis 13), dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige PCM und das darin eingetauchte Trägermaterial gemeinsam erhitzt werden.
15. Hüllmaterial, nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer oder mehrer der folgenden Komponenten oder einer Verbindung besteht:
Hydraulische Bindemittel, Wasserglas, Silikat, Silikon, Stärke, Harze, Teflon, Epoxydharze und Kunststoffe.
16. Verfahren zur Umhüllung des Speicherverbundmaterials nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllmaterial durch Sprühen, Tauchen, Bedampfen, Bestreichen oder Benetzen aufgebracht wird.
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