Entwicklung eines neuartigen Herstellungsprozesses für Latentwärmespeicherhalbzeuge und -module

Die Energiewende, zu deren Zielen die Reduktion des CO2-Ausstoßes, die Unabhängigkeit der Energieversorgung von endlichen Energieträgern, der Ausstieg aus der Kernenergie, die Erhöhung des Anteils an erneuerbaren Energien am gesamten Stromanteil sowie die Dezentralisierung der Energieversorgung gehören, ruft eine Vielzahl an zu lösenden technischen Problemen zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit hervor. Hierzu werden verschiedene energieversorgende Systeme eingesetzt und ausgebaut, um die datierten Ziele zu erreichen. Einen wichtigen Beitrag zur Energiewende kann die Verbreitung der Kraft-Wärme-Kopplung (Abk.: KWK) in Form von dezentralen Blockheizkraftwerken (Abk.: BHKW) leisten. Die gemeinsame Nutzung von Strom und Wärme in den Kraftwerken erlaubt eine Minimierung des Primärenergiebedarfs, was unmittelbar zu einer Reduktion des CO2-Ausstoßes und somit zur Erfüllung eines der Ziele der Energiewende führt. BHKWs erlauben nur unter bestimmten Betriebsstrategien eine Ausschöpfung ihres vollen Potentials, weshalb zur Erhöhung der Flexibilität thermische Speicher unabdingbar sind. Konventionell werden hierzu großvolumige Warmwasserspeicher eingesetzt, was in einem erheblichen Platz- und Raumbedarf resultiert. Zudem weisen sie ein hohes Gewicht auf. Beschränkte Raumverhältnisse sowie maximal zulässige Flächenlasten behindern dadurch die Verbreitung von BHKWs. Durch das Substituieren des Speichermediums „Wasser“ durch „Phasenwechselmaterialien“ (engl.: Phase Change Material, Abk.: PCM) lässt sich durch die Nutzbarmachung von Schmelz- oder Erstarrungswärme – die sogenannte latente Wärme – das Gewicht und der Raumbedarf deutlich reduzieren. Damit sich diese Systeme am Markt etablieren können, müssen diese den konventionellen Systemen hinsichtlich Preis und Funktionalität überlegen sein. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung eines neuartigen Herstellungsprozesses für Latentwärmespeicherhalbzeuge und -module, bei denen das Potential zur Reduktion der Fertigungskosten gegeben ist.
Zur Entwicklung dieses Herstellungsprozesses ist eine vorhergehende Produktauslegung erforderlich. Dazu werden vom thermischen Referenzsystem, dem konventionellen Warmwasserspeicher, die thermische Leistung und Kapazität herangezogen. Für die Integration von PCM in wasserführenden Systemen werden verschiedene Varianten betrachtet, wobei sich zylindrisch makroskopisch gekapseltes, umströmtes PCM als die am besten geeignete Variante herausstellte. Besonders effektiv ist diese Kapselvariante beim Einsatz von Kunststoff als Kapselmaterial für die Verarbeitung und Herstellung durch einen in der Kunststoffindustrie etablierten Extrusionsprozess.
Die Dimension der Wärmespeichermodule stellt eine Randbedingung für das herzustellende Halbzeug dar, wofür der Prozess auszulegen ist. Hierzu wird die Modulgröße anhand einer thermischen Auslegung hinsichtlich der Leistungsabgabe vordimensioniert. Sowohl für die thermische Vorauslegung als auch für die Prozessentwicklung sind die thermodynamischen Stoffeigenschaften von elementarer Bedeutung. Durch den Phasenwechsel des PCMs sind die Wärmeleitfähigkeit und das spezifische Volumen in Abhängigkeit von der Temperatur nur ungenügend messtechnisch erfassbar. Ist die Temperaturdifferenz klein, in welcher Phasenwechselvorgänge stattfinden, sind Schmelz- und Erstarrungsvorgänge durch die Anwendung der Modellerweiterung des Materialmodells nach Karrenberg durch den integrierten einheitlichen Ansatz in Form der Meltfraction-Funktion deutlich besser beschreibbar.
Beim Aufschmelzen des PCMs werden kristalline Strukturen im Material aufgelöst, was in einer deutlichen Volumenzunahme resultiert. Dadurch werden die mit PCM gefüllten Kunststoffkapseln durch das sich ausdehnende PCM belastet, was zu Festigkeitsproblemen und dem Versagen der
III Zusammenfassung
Kapseln führen kann. Dahingehend wird in dieser Arbeit ein neuartiger Ansatz gewählt, bei dem die Kapseln nachgiebig ausgelegt werden, sodass die Volumenzunahme des PCMs über große Verformungen der Kapseln kompensiert werden kann.
Zur Entwicklung des Herstellungsprozesses wird beabsichtigt, das PCM kontinuierlich in den Prozess einzuleiten. Hierzu wird für die Kapselherstellung auf die konventionelle Rohr- und Blasfolienextrusion zurückgegriffen. Für die Auslegung relevanter Teilprozesse werden Berechnungswerkzeuge sowie eigens entwickelte Ansätze verwendet. Für das Einleiten des PCMs in die Kapsel wird ein eigens entwickelter Ansatz erarbeitet und anhand eines Funktionsprototyps in Form einer vollständigen Produktionsanlage im Labormaßstab erprobt.

 

 

The energy transition with objectives like reduction of CO2 emissions, independent energy supply from unlimited energy sources, withdrawal from the nuclear energy program, increase of the ratio from renewable energies on whole electricity amount and energy supply decentralization, has to solve multiple technical problems in order to maintain the security of power supply.
Therefore, various power supply systems are applied and developed to fulfill those goals, for example the combined heat and power (CHP) generation in the form of block-type thermal power stations (BTTP). By using heat and power in BTTPs the ratio of primary energy decreases. Thus CO2 emission can be reduced. In order to use BTTPs to their full potential, special operation strategies are needed including thermal storage systems to increase the technical flexibility of the CHP-based systems. Usually high-volume hot water tanks are used to store the heat, but these systems are very heavy and they require a huge amount of space. Hence, small space conditions at application sites and limited weight capacity prevent the spreading of the CHP-technology. The usual heat storage medium is water, but by using phase change materials (PCM), latent heat can be used, too. This means more heat can be stored while having the same volume of the thermal storage system available or the maximal volume, and therefore weight, can be reduced while having the same energy storage capacity. In order to compete versus conventional hot water tanks on the market such systems using PCM-based thermal reservoirs must have a good cost-benefit ratio. Therefore, the goal of this thesis is the development of an innovative manufacturing process for latent heat storage pre-products and modules with the potential of a cost-efficient production.
Before starting the development of the manufacturing process, the product has to be designed first. The thermal power and thermal capacity from a conventional hot water storage system is used for reference. For the integration of the PCM in water-bearing systems, different variants were taken into consideration. A cylindrical macro-capsule made of plastic and filled with PCM installed in flowing water was chosen as best fitting solution. Due to the high cost-efficiency, the capsules are produced by a well-established extrusion process. The dimension of the latent heat modules is one of the boundary conditions to design the manufacturing process. As a reference, the modules dimensions are calculated through a thermal strategy in which the thermal power as function of time is considered. For thermal dimensioning as well as process development, the thermal properties of materials are important. Because of the phase change of PCMs, thermodynamic properties like heat conductivity and specific volume as function of temperature are insufficiently measureable. By using an extended approach of the material model of Karrenberg, the difficult measureable phase transitions become describable.
The melting of the PCMs crystal structure results in an increasing material volume. This is the reason why encapsulated PCMs generate internal stress leading to material failure of the capsule. In order to reduce internal stress, non-rigid structures are used to encapsulate the PCM allowing low stress deformation to compensate the volume of the extended.
For the development of the manufacturing process, it is planned to feed the PCM continuously, which is why the conventional pipe and blown film extrusion were chosen as baseline. In order to design relevant sub-processes calculation tools and newly developed approaches were used. A new manufacturing process is introduced to realize the feeding of the PCM within the extrusion process and tested in laboratory scale.

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Andretzky, M., 2020. Entwicklung eines neuartigen Herstellungsprozesses für Latentwärmespeicherhalbzeuge und -module. https://doi.org/10.17185/duepublico/73360
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