IEA SHC Task 58/ECES Annex 33: Material- und Komponentenentwicklung für thermische Energiespeicher

Weltweit sind Arbeitsgruppen im Bereich der Materialentwicklung für Wärmespeicherung und Anwendungen für thermische Speicher tätig. Diese Aktivitäten sind meist auf bestimmte Anwendungen, Technologien oder Materialien konzentriert. Die Hauptaufgabe des Tasks war es, diese Aktivitäten zusammenzubringen und in einen einheitlichen Entwicklungsplan zu integrieren.

Die Hauptziele waren:

• Entwicklung und Charakterisierung von Speichermaterialien, mit denen thermische Energiespeicher verbessert werden können
• Entwicklung von Materialtestverfahren und Charakterisierungsmethoden, inklusive Materialtests unter reellen Bedingungen
• Entwicklung von Komponenten für kompakte thermische Speichersysteme
• Einordnen und evaluieren der Chancen thermischer Speicheranwendungen unter Einbeziehung der Anforderungen an das Speichermaterial

Die Arbeiten im Task wurden in unterschiedliche Subtasks verteilt, siehe folgende Abbildung:

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften und Charakteristika von Phasenwechsel- und thermochemischen Materialien wurden die Arbeiten im Task/Annex zum größten Teil in zwei parallelen Schienen durchgeführt, gekennzeichnet mit einem P oder T in der Nummerierung.

Ziel des Subtask 1 war die Identifikation von wichtigen Betriebsparametern relevanter Anwendungsbereiche. Die Daten im Rahmen der Aktivitäten sowie Aktivitäten anderer Tasks und Annex wurden zusammengeführt. Hier wurde nicht in PCM- und TCM-bezogene Anwendungen unterteilt, da die Ergebnisse und Erkenntnisse für alle Speichermaterialien gültig sind.

Ziel des Subtask 2 war die Entwicklung und Charakterisierung von PCM und TCM, um die Performance des Speichersystems zu verbessern, Materialeigenschaften zu identifizieren und zu messen. Die Materialdatenbank, die in Task42/Annex 24 und Task42/Annex29 begonnen wurde, wurde gewartet und erweitert.

• PCM: Ziel war es, PCM so zu designen, dass ihre Eigenschaften für bestimmte Anwendungen ideal sind. Dafür ist ein grundlegendes Verständnis über den Zusammenhang zwischen den thermophysikalischen Eigenschaften der Materialien wie Enthalpie, Wärmeleitfähigkeit und den Materialparametern wie der Materialzusammensetzung (z.B. Beimischung von Graphit zu PCM zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit) notwendig.
• TCM: Der Schwerpunkt lag auf der Entwicklung verbesserter pulverförmiger TCM-Materialien, die auf Sorption (mikro-/mesoporöse Feststoffe und Flüssigkeiten (Hydroxide)), chemischen Reaktionen (Salzhydrate und Metalloxide/-hydroxide) und Kombinationen aus beidem (mikro-/mesoporöse Feststoffe +Salzhydrate/Metall) basieren.

Ziel des Subtask 3 war die Definition von Messverfahren für relevante Materialeigenschaften. Bei PCM lag der Schwerpunkt auf Skaleneffekten. Eigenschaften wie Schmelzverhalten, Enthalpie und Unterkühlungseffekte sind von der Materialmenge abhängig. Es wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem aus den Messergebnissen von Proben von geringer Größe (wenige ml) auch die Eigenschaften von großen Materialmengen berechnet werden können. Ziel für die TCM Entwicklung war es, ein einheitliches Verfahren für die Testung von den Materialeigenschaften Wasseraufnahmekapazität und Reaktionsenthalpie zu definieren und anhand von Round-Robin Tests auf die Umsetzbarkeit der Prüfverfahren von unterschiedlichen Laboren zu testen.

Ziel des Subtask 4 PCM-Entwicklung war die Auflistung von, in verschiedenen Konzepten verwendeter Komponenten und Beschreibung von Möglichkeiten zur Definition und Messung der Performance-Charakteristik für PCM-Komponenten. Eine Bewertung der Konzepte anhand der angestrebten Performance wurde durchgeführt.

Ziel der Subtask 4 TCM-Entwicklung war die Auflistung der von verschiedenen Konzepten verwendeter Komponenten mit Fokus auf Wärme- und Massentransfer in der Komponente. Da in der Regel ein signifikanter Unterschied der gemessenen Speicherkapazität zwischen Materialtests (einige Gramm) und Labormaßstab inklusive Reaktoraufbau (einige kg) auftritt, wurde angestrebt, den Grund für diesen Unterschied zu identifizieren.

Artikel, Reports und Newsletter

• Final Report "Material and Component Development for Thermal Energy Storage" (2020)
• Subtask 3T final report - TCM measuring procedures and testing under application conditions (2020)
• IEA SHC & IEA ECES: Newsletter 12/2020
• Thermische Energiespeicher – vom Material zur Komponente. Artikel in der Zeitschrift „nachhaltige technologien" Ausgabe 2019-4

Materialdatenbank

Die in SHC Task 42/ECES Annex 24 und SHC Task 42/ECES Annex 29 entwickelte Materialdatenbank "Thermal Material Database" wurde um neue Materialeigenschaften erweitert. Sie enthält sowohl PCM als auch TCM.

Projektleitung

• Wim van Helden, AEE INTEC

Projektpartner

• Daniel Lager, AIT, Wien
• Gerald Steinmaurer, ASiC/ FH OÖ, Wels
• Hermann Schranzhofer, IWT, TUGraz
• Andreas Werner, Institut für Energietechnik, TU Wien

Dänemark, Deutschland, Frankreich, Italien, Kanada, Niederlande, Nord Irland, Österreich, Schweden, Schweiz, Slowenien, Spanien, Türkei

AEE INTEC
Wim van Helden
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