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High Performance Seasonal Solar Energy Latent Heat Thermal Storage Using Low Grade, Low Melting Temperature Metallic Alloys

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Eutektische Legierungen verbessern jahreszeitabhängige Wärmespeicherung

Mit der zunehmenden Verankerung der erneuerbaren Energien im Energiemix wird die Energiespeicherung dementsprechend stärker in den Mittelpunkt rücken. Es werden dringend Werkstoffe benötigt, welche die Effizienz von Energiespeichersystemen erhöhen.

Klimawandel und Umwelt

Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist die EU Vorreiterin der globalen Nutzung erneuerbarer Energien. Die Annahme langfristiger Ziele und unterstützender politischer Maßnahmen resultierte in einem starken Wachstum, das sich im Bruttoendenergieverbrauch widerspiegelt, der von einem Anteil von 9 % im Jahr 2005 auf rund 20 % bis 2020 im Ansteigen begriffen ist. Der Einsatz erneuerbarer Energien muss jedoch mit irgendeinem Energiespeicher kombiniert werden, um Schwankungen in der Energieerzeugung ausgleichen zu können. Wärmeenergiespeicher können den Energiebedarf zwischen Tag und Nacht ausgleichen, indem sie Sommerwärme für die Heizung im Winter oder Winterkälte für die Klimatisierung im Sommer speichern. Das Konzept der Speicherung von Wärmeenergie scheint auf den ersten Blick einfach zu sein. Bei näherer Betrachtung ergibt sich jedoch schnell ein komplexeres Bild. Probleme mit kommerziellen Phasenwechselmaterialien „Latentwärme ausnutzende Verfahren zur Speicherung von Wärmeenergie haben in letzter Zeit große Aufmerksamkeit erregt, da sie sich auf der Skala der technologischen Reife kurz vor der kommerziellen Nutzung für Solarenergiesysteme befinden“, sagt Prof. Khamid Mahkamov, der Verantwortliche für das EU-finanzierte Projekt THERMOSTALL, einer Marie-Skłodowska-Curie-Initiative mit Einzelstipendium. Vor dem Einsatz von Phasenwechselmaterialien sind mehrere Aufgaben zu lösen. Materialien dieser Art sammeln während ihrer Phasenumwandlung enorme Energiemengen an bzw. geben diese ab, indem sie beim Schmelzen bzw. Gefrieren Wärmeenergie absorbieren bzw. freisetzen. Zu den attraktiven Merkmalen zählen eine hohe latente Schmelzwärme, eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe spezifische Wärme und Dichte sowie eine lange Lebensdauer bei wiederholten Zyklen. „Organische und hydratisierte Salze sind einige der bekanntesten Phasenwechselmaterialien, die bei Sonnenenergiesystemen Einsatz finden. Ihr geringer Wärmeleitkoeffizient, ihre niedrige Dichte und, je nach Fall, chemische Instabilität sowie die bestehende Tendenz zur Unterkühlung stehen jedoch ihrem breitangelegten Einsatz in Systemen zur Nutzung von Solarenergie im Wege“, erklärt Prof. Mahkamov. Aufgrund der schlechten thermophysikalischen Eigenschaften dieser Phasenwechselmaterialien sind die Systeme zur Energiespeicherung zu groß und es mangelt ihnen an einem ausreichend hohen Lade-/Entladewirkungsgrad. Eutektische Legierungen für Wärmeenergiespeicher THERMOSTALL hat eine mögliche Lösung für diese Probleme gefunden – eutektische Metalllegierungen. Genauer gesagt verwendete das Forscherteam eine Legierungsmischung von geringer Reinheit, die aus niedrigschmelzenden Metallen besteht. Die neuen Formulierungen für Phasenwechselmaterialien wurden gezielt für den Einsatz in jahreszeitabhängigen Wärmeenergiespeichersystemen für Wohngebäude und kleine Geschäftshäuser entwickelt. „Die günstigen Eigenschaften von niedrigschmelzenden metallischen Legierungen lassen sie in verschiedenen Bereichen, insbesondere im Elektronikbereich, zur perfekten Ergänzung werden. Hier werden sie jedoch erstmals bei der Wärmeenergiespeicherung eingesetzt“, merkt Prof. Mahkamov an. Eutektische Materialien haben mehrere attraktive Eigenschaften: sie sind stabil, die Wärmeleitung ist doppelt so hoch wie bei konventionellen Phasenwechselmaterialien, während ihre Wärmespeicherkapazität dreimal so hoch ist. Im Handel erhältliche eutektische Legierungen sind üblicherweise von hoher Reinheit und daher relativ teuer. Zur Minimierung der Kosten konzentrierte sich das Forscherteam auf Legierungen von geringer Reinheit. Die Proben wurden im Labor gesintert. Die Teammitglieder experimentierten mit einer breiten Auswahl von Metallen mit Schmelzpunkten zwischen 70 und 230 Grad Celsius, um die Mischungen mit den besten thermophysikalischen Eigenschaften zu finden. Unter Einsatz der dynamischen Differenzkalorimetrie bestimmten sie die latenten und spezifischen Wärmewerte der hergestellten Legierungen. „Insgesamt können eutektische Legierungen die Komplexität des Entwurfs und die Fertigungskosten von Wärmeenergiespeichersystemen deutlich reduzieren“, ergänzt Prof. Mahkamov. Die Projektarbeit mündete in der Konzipierung eines vorkommerziellen Prototyps zur jahreszeitabhängigen Wärmespeicherung für private Wohnhäuser und kleine gewerbliche Gebäude.

Schlüsselbegriffe

THERMOSTALL, Phasenwechselmaterial (Phase-Change Material, PCM), eutektische Legierungen, jahreszeitabhängige Wärmespeicherung, Latentwärme, niedrigschmelzend, Prototyp

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