Wärme speichern, wenn sie verfügbar ist, und später wieder nutzen: Latentwärmespeicher können dabei helfen, Energie effizienter einzusetzen. Doch was genau passiert eigentlich im Inneren eines solchen Speichers, wenn er geladen oder entladen wird? Dieser Frage geht das Institut für Wasserstoff- und Energietechnik (iwe) der Hochschule Hof in einem neuen Forschungsprojekt nach, das von der Hans-Viessmann-Technologiestiftung unterstützt wird. Zum Einsatz kommt dabei eine ungewöhnliche Messtechnik: Eine Glasfaser soll detaillierte Temperaturbilder aus dem Inneren des Speichers liefern.
Im Mittelpunkt steht ein sogenannter PCM-Latentwärmespeicher. Die Abkürzung „PCM“ steht für „Phase Change Material“. Diese Materialien speichern thermische Energie durch einen reversiblen Phasenwechsel. Bei den häufig eingesetzten Fest-Flüssig-PCM nimmt das Material beim Schmelzen Wärme auf und gibt sie beim Erstarren wieder ab – und das weitgehend bei gleichbleibender Temperatur. Bei Wärmespeichern entspricht das Schmelzen in der Regel dem Laden und das Erstarren dem Entladen; bei Kältespeichern ist es umgekehrt.
Als Speichermaterialien kommen beispielsweise organische Paraffine oder anorganische Salzhydrate infrage. Damit die Wärme effizient in das PCM eingebracht und wieder entnommen werden kann, ist eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche erforderlich. Im untersuchten Speicherkonzept befindet sich das PCM direkt im Speicherbehälter. In das Material werden Kapillarrohrmatten eingetaucht, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden und als interner Wärmetauscher dienen. Durch den unmittelbaren Kontakt zwischen PCM und Kapillarrohren entfallen zusätzliche Übertragungsstufen, wie sie beispielsweise bei gekapselten PCM-Systemen auftreten. Das Problem: Im Inneren des Speichers laufen komplexe thermische Vorgänge ab, die mit herkömmlichen Sensoren nur schwer zu erfassen sind. Einzelne Temperaturfühler messen jeweils nur an einem bestimmten Punkt. Dadurch bleiben wichtige Informationen über Temperaturunterschiede und den Fortschritt des Phasenwechsels verborgen.
Eine Glasfaser wird zum Temperatursensor
Genau hier kommt die besondere Messtechnik des Forschungsprojekts ins Spiel. Mit einem faseroptischen Messsystem wird eine Glasfaser als kontinuierlicher Temperatursensor eingesetzt. Statt nur an einigen wenigen Stellen misst sie die Temperatur entlang der Faser und ermöglicht damit eine räumlich hochaufgelöste Darstellung der Temperaturverteilung im Speicher.
„Wir wollen möglichst genau verstehen, wie sich die Temperatur im Speicher verteilt und wie der Phasenwechsel räumlich und zeitlich abläuft.“
Matthias Kreuzer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, wie wirksam die Kapillarrohrmatten das gesamte PCM-Volumen thermisch erschließen. Untersucht wird, welcher Anteil des Materials tatsächlich am Phasenwechsel und damit an der Energiespeicherung beteiligt ist, wie gleichmäßig und schnell das PCM schmilzt beziehungsweise erstarrt und ob thermisch unzureichend erschlossene Bereiche entstehen.
Die Forschenden können so unter anderem beobachten, wie sich die sogenannte Phasenfront durch das Material bewegt. Damit ist die Grenze zwischen den Bereichen gemeint, in denen das Speichermaterial bereits seinen Aggregatzustand verändert hat, und den Bereichen, in denen der Prozess noch nicht abgeschlossen ist. Auch lokale Über- oder Unterkühlungen sollen mit der Messung sichtbar werden.
Bessere Speicher durch bessere Daten
Die Messungen sollen nicht nur zeigen, was im aktuellen Versuchsaufbau passiert. Die gewonnenen Daten werden anschließend mit numerischen Modellen verglichen. Dadurch können die Forschenden überprüfen, wie gut Computersimulationen die tatsächlichen Vorgänge im Speicher abbilden.
Auf dieser Grundlage sollen schließlich Möglichkeiten zur Optimierung entwickelt werden – etwa bei der Gestaltung von Wärmeübertragern oder bei der Betriebsführung des Speichers. Die Ergebnisse könnten später auch auf größere Speichersysteme und weitere Temperaturbereiche übertragen werden. Dafür baut das Forschungsteam zunächst einen Versuchsstand auf, integriert und kalibriert die faseroptische Sensorik und führt anschließend definierte Lade- und Entladezyklen durch und wertet die Ergebnisse entsprechend aus.
Das Projekt ist dem Forschungsschwerpunkt Kältetechnik am Institut für Wasserstoff- und Energietechnik der Hochschule Hof zugeordnet.
