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„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 2 von 33
Inhaltsverzeichnis
1 Zusammenfassung .................................................................................................. 4 2 Entwicklung von Stoffsystemen für eine Wärmespeicherung von
Abwärme von Verbrennungsmotoren als latente und fühlbare Wärme und Festlegung des Wärmeübertragungsprinzips ............................................... 8
2.1 Aufgabenstellung und Vorgehensweise..................................................................... 8 2.2 Ergebnis von Voruntersuchungen.............................................................................. 9 2.3 Gesamtbewertung und Auswahl der für den Einsatz als
Wärmespeichermaterial geeignetsten Stoffsysteme................................................ 14 3 Entwicklung von Speichern zur Speicherung von Motorabwärme im
Temperaturbereich < 100 °C ................................................................................. 16 3.1 Bau und Erprobung eines 10 l-Speichers mit Rohrschlange aus Glas (Typ I) ......... 16 3.2 Bau und Erprobung eines 50 kg-Speichers mit Haarnadel-
Rohrbündelaustauscher (Typ II).............................................................................. 19 3.3 Bau und Erprobung eines 100 kg-Wärmespeichers mit
Plattenwärmeaustauscher (Typ III) ......................................................................... 23 3.4 Bau und Erprobung eines Speichers mit hoher Entnahmeleistung (Hybrid-
Speicher, Typ IV) ..................................................................................................... 25 4 Untersuchungen zu Hochtemperatur-Wärmespeichern..................................... 32 4.1 Bewertung untersuchter PCM für Hochtemperaturzelle........................................... 33
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Abkühlkurven verschiedener Stoffe in 300 ml-Rundzelle im Vergleich zu Wasser.. 10
Abbildung 2: Temperaturverlauf in 1l-Zelle mit Luftkühlung.......................................................... 11
Abbildung 3: Wärmeabgabe des Stoffsystems NaOH · H2O......................................................... 12
Abbildung 4: Abkühlkurven des Systems Mg(NO3)2 · 6H2O (70 %) + MgCl2 · 6H2O (30 %) ......... 13
Abbildung 5: Speicherzelle vom Typ I........................................................................................... 17
Abbildung 6: Abkühlung von PCM 70/60-Schmelze im Dewargefäß mit Luft (Mg(NO3)2 · 6H2O +
MgCl2 · 6H2O 1 : 1)................................................................................................... 18
Abbildung 7: Aufbau der Speicherzelle vom Typ II ....................................................................... 20
Abbildung 8: Temperaturverlauf der 50 kg-Zelle (Typ II) bei 35 l/h Belastung............................. 21
Abbildung 9: Wärmeabgabe der 50 kg-Zelle (Typ II) bei 35 l/h Belastung................................... 22
Abbildung 10: 100 kg Zelle vom Typ III.......................................................................................... 24
Abbildung 11: Aufbau und Funktionselemente des Hybridspeichers vom Typ IV.......................... 26
Abbildung 12: Aufbau des Prüfstandes – Laden des Speichers – ................................................. 27
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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Abbildung 13: Aufbau des Prüfstandes – Entladen des Speichers –............................................. 28
Abbildung 14: Entladecharakteristik des 1,5 l-Hybridspeichers ..................................................... 30
Abbildung 15: Entladecharakteristik des 3 l-Hybridspeichers ........................................................ 31
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Vergleich von Speichersalzsystemen ...................................................................... 15
Tabelle 2: Kurzzeitwärmespeicher für Kraftfahrzeuge vom Typ IV – Erprobungsdaten und
Vorgaben –............................................................................................................... 29
Tabelle 3: Haupteigenschaften von Hochtemperatur-PCM-Schmelzen ................................... 33
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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1 Zusammenfassung
Durch die im Rahmen des Projektes entwickelten und erprobten Wärmespeicher wird folgender
Anwendungsbereich abgedeckt:
• Speichertemperatur: + 50 bis + 300 °C
• Ladung: mit heißer Motorkühlflüssigkeit bzw. mit heißem Abgas
aus dem Abgasstrang
• Entladung: - mit kalter Motorkühlflüssigkeit
- mit kaltem Wasser
- mit kalter Luft
• Speichergrößen: 1,5 bis 50 Liter, kombinierbar zu noch größeren
Einheiten, falls erforderlich
• Speicherleistung: 0,1 bis 15 Kilowatt
• Gespeicherte Energiemenge: 500 kJ bis 25.000 kJ
• Austrittstemperatur bei - Luft: + 40 bis + 250 °C
Wärmeentnahme: - Flüssigkeit: + 40 bis + 90 °C
• Speichermasse: 3 kg bis 100 kg
• Dauer der Wärmeentnahme: wahlweise zwischen 1 Minute bis 1 Woche
• Dauer der Lagerung bis zur
Wärmeentnahme: 0 bis 2 Tage
Damit lassen sich alle aus heutiger Sicht denkbaren Anwendungen wie
• Motorwarmhaltung zwischen zwei Starts
• Motoraufwärmung bei Kaltstart bis – 20 °C
• Katalysatorwarmhaltung zwischen zwei Starts
• Katalysatoraufwärmung bei Kaltstart bis – 20 °C
• Kabinenheizung bei Fahrzeugstillstand
realisieren.
Die verschiedenen Speichertypen sind im Prinzip erprobt, bedürfen aber noch weiterer Vervoll-
kommnung, insbesondere der Isolierung und Einpassung in konkrete Fahrzeuge sowie der in der
Autoindustrie üblichen umfangreichen Prüfungen und Tests:
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Speichertyp I (Rundspeicher)
Behälter: Rundzelle mit Doppelwandisolation
Wärmetauscher: Rohrschlange aus Metall oder Glas
Speichermaterial: NaOH · H2O, Na-Acetat · 3H2O, Mg(NO3)2 · 6H2O, MgCl2 · 6H2O
und Gemische
Anordnung des PCM: Im Behälter eingegossen
Speicherbereich: + 40 bis + 115 °C
PCM-Volumen: 2,5 Liter bis 10 Liter
Speicherkapazität: bis 4.500 kJ
Entladeleistung: min. 0,05 kW
(bei Speicherzeiten bis zu 1 Woche)
Lademedium: Motorkühlflüssigkeit, Wasser, Heißluft
Entlademedium: Motorkühlflüssigkeit, Wasser, Luft
Speichertyp II (prismatischer Speicher)
Behälter: Prismabehälter mit Außenisolation
Wärmetauscher: Haarnadel-Rohrschlangentauscher aus Metall
Speichermaterial: NaOH · H2O, Na-Acetat · 3H2O, Mg(NO3)2 · 6H2O, MgCl2 · 6H2O
und Gemische (wie Typ I)
Anordnung des PCM: Im Behälter eingegossen
Speicherbereich: + 40 bis + 95 °C
PCM-Volumen: bis 25 Liter
Speicherkapazität: bis 6.500kJ
Entladeleistung: bis 5 kW
Lademedium: Motorkühlflüssigkeit, Wasser, Heißluft
Entlademedium: Motorkühlflüssigkeit, Wasser, Luft
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Speichertyp III (prismatischer Speicher)
Behälter: Prismabehälter mit Außenisolation
Wärmetauscher: Profil-Plattenheizkörper aus Stahlblech
Speichermaterial: wie Typ I
Anordnung des PCM: Im Behälter eingegossen
Speicherbereich: + 40 bis + 95 °C
PCM-Volumen: bis 40 Liter
Speicherkapazität: bis 30.000 kJ
Entladeleistung: bis 6 kW
Lademedium: Motorkühlflüssigkeit, Wasser, Heißluft
Entlademedium: Motorkühlflüssigkeit, Wasser, Luft
Speichertyp IV (Hybridspeicher)
Behälter: Rundzelle mit Doppelwandisolation
Wärmetauscher: Innerer mit PCM-Schmelze gefüllter Metallbehälter
Speichermaterial: NaOH · H2O, Na-Acetat · 3H2O, Mischungen von Mg(NO3)2 · 6H2O
und MgCl2 · 6H2O
Speicherbereich: + 40 bis + 95 °C
PCM-Volumen: 0,5 Liter bis 1,0 Liter
Funktion des PCM: Abdeckung der Wärmeverluste bei Lagerung
Speicherkapazität: 500 bis 1.000 kJ
Entladeleistung: 5 bis 15 kW
Lademedium: Motorkühlflüssigkeit, Wasser
Entlademedium: Motorkühlflüssigkeit, Wasser
Speichertyp V
Behälter: Rundzelle mit Doppelwandisolation
Wärmetauscher: Doppelrohrtauscher aus Metall
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Speichermaterial: Binäre und ternäre Alkalinitrat-Nitritgemische
Anordnung des PCM: Im Behälter eingegossen
Speicherbereich: + 80 bis + 300 °C
PCM-Volumen: 2,5 Liter
Speicherkapazität: bis 2.500 kJ
Entladeleistung: 0,3 bis 0,5 kW
Lademedium: Heißes Abgas aus dem Abgasstrang
Entlademedium: Luft
Durch die Entwicklungsarbeiten wurden folgende innovativen Stoffsysteme untersucht und mit
positivem Ergebnis erprobt:
• Natriumhydroxid-Monohydrat (NaOH · H2O)
Schmelzpunkt: 64 °C
Latentwärme: ca. 270 kJ/kg = ca. 460 kJ/h
Dichte: 1,72 kg/l
Preis: < 80 €/100 kg
Wasseranteil: 31 %
Der Speicherstoff NaOH · H2O ist annähernd leistungsfähig wie das wesentlich teurere und
toxischere Stoffsystem Ba(OH)2 · 8H2O und übertrifft die spezifische Wärmespeicher-
fähigkeit von Natriumacetat-Trihydrat.
• Nichteutektische Stoffmischungen aus Magnesiumnitrat-Hexahydrat und Magnesium-
chlorid-Hexahydrat, z.B. Mischung 50 : 50 Masseprozent mit variablem Erstarrungsbereich
zwischen 72 und 59 °C.
• Lithiumfreie Salzmischungen für Hochtemperatur-PCM mit Erstarrungspunkten zwischen
120 und 235 °C und Verwendbarkeit bis + 400 °C bzw. + 500 °C ohne Zersetzung auf der
Basis von Kaliumnitrat, Natriumnitrat und Natriumnitrit.
Die mit positivem Ergebnis erprobten Hochtemperatur-Wärmespeicherstoffe auf der Basis
binärer oder ternärer Alkalinitrate und –nitrite haben nicht wie die Monostoffe LiNO3 bzw.
LiClO4 die negative Eigenschaft der Gefäßzerstörung beim Phasenwechsel.
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 8 von 33
2 Entwicklung von Stoffsystemen für eine Wärmespeicherung von Abwärme von Verbrennungsmotoren als latente und fühlbare Wärme und Festlegung des Wärmeübertragungsprinzips
2.1 Aufgabenstellung und Vorgehensweise
Die Abwärme von Verbrennungsmotoren fällt prinzipiell in zwei Formen mit unterschiedlichem
Temperaturniveau an:
1. als heiße Motorkühlflüssigkeit mit Temperaturen ≤ 90 °C
2. als heiße Verbrennungsgase mit Temperaturen von bis etwa 500 °C im Abgasstrang.
Diese Wärme wird mit Ausnahme der Heizung des Fahrzeuges während der Fahrt nicht verwertet.
Eine Verwertung dieser Wärmen setzt eine Speicherung in einem gegenüber der Umgebung
isolierten Stoffsystem voraus, das in der Lage ist, Wärme in möglichst großem Umfang reversibel
aufzunehmen, die Wärme als fühlbare oder latente Wärme über eine bestimmte Zeit zu speichern
und diese bei Bedarf langsam oder auch in kurzer Zeit an einen Wärmeträger, etwa kalte
Motorkühlflüssigkeit oder kalte Luft abzugeben und diese vorzuwärmen.
Die Speicherung als Latentwärme hat den großen Vorteil, dass in einer vorgegebenen Masse bzw.
einem vorgegebenen Volumen über die mit einer Temperaturerhöhung einhergehende
Wärmespeicherung als fühlbare Wärme hinaus noch zusätzlich Wärme bei einer konstanten
Temperatur latent gespeichert und wieder entnommen werden kann. Solche latente
Wärmespeichereffekte sind stets an eine Phasenumwandlung, meistens ein Schmelzen oder
Erstarren eines Stoffes, gebunden.
Nach Erreichen des Schmelzpunktes beginnt das Speichermaterial zu schmelzen und erhöht trotz
weiterer Einspeicherung von Wärme seine Temperatur nicht, bis das Material komplett
geschmolzen ist. Die einphasige Schmelze verhält sich wie eine Flüssigkeit und nimmt Wärme
unter stetigem Temperaturanstieg auf. Bei Wärmeentzug wird zunächst die fühlbare Wärme der
flüssigen Schmelze abgegeben, bis die Temperatur den Erstarrungspunkt erreicht hat.
Zur Wärmespeicherung geeignete Stoffsysteme müssen innerhalb des Temperaturintervalls, in
welchem der Speicher arbeiten soll, einen Phasenumwandlungspunkt haben, wobei bei gegebener
Masse die Menge der gespeicherten Wärme von drei Teilbeträgen abhängt:
1. der Wärmekapazität des Festkörpers
2. der Wärmekapazität der flüssigen Schmelze
3. der Schmelzenthalpie (Latentwärme).
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2.2 Ergebnis von Voruntersuchungen
Durch Voruntersuchungen mit Salzschmelzen verschiedener Art in einer 300 ml Rundzelle wurden
ausgewählte Stoffsysteme untersucht. Die heiße Salzschmelze wurde extern aufgeschmolzen und
mit vorgegebner Temperatur in die Zelle eingefüllt, die Zelle abgedeckt und der Zeit-
Temperaturverlauf mit einer Temperaturmessung im Kern sowie am Zellenrand bestimmt. Im
Vergleich wurden Salzschmelzen in einer 1 l-Kupferzelle von Würfelform untersucht, die durch
einen definierten Luftstrom über eine seitliche Kammer gekühlt wurde.
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 10 von 33
Abbildung 1: Abkühlkurven verschiedener Stoffe in 300 ml-Rundzelle im Vergleich zu Wasser
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01
23
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67
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h]
Kern-Temperatur [°C]B
a(O
H)2
· 8H
2ON
a-Ac
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· 3H
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· H
2OKA
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4)2
· 12H
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3 · 6
H2O
MgC
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6H2O
MgN
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· 6H
2O (9
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„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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Abbildung 2: Temperaturverlauf in 1l-Zelle mit Luftkühlung
0
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0 2 4 6 8 10 12 14
Zeit [h]
Tem
pera
tur [
°C]
Ba(OH)2 · 8H2O
NaOH·H2O
Na-Acetat·3H2OMg(NO3)2·6H2O
MgCl2·6H2O
Mg(NO3)2·6H2O (90%)+LiNO3 (10%)
Mg(NO3)2·6H2O (50%)+MgCl2·6H2O (50%)Mg(NO3)2·6H2O (60%)+MgCl2·6H2O (40%)
Mg(NO3)2·6H2O (70%)+MgCl2·6H2O (30%)
KAl(SO4)·12H2O
KOH·H2OWasser
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Abbildung 3: Wärmeabgabe des Stoffsystems NaOH · H2O
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[min
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Temperatur [°C]
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„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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Abbildung 4: Abkühlkurven des Systems Mg(NO3)2 · 6H2O (70 %) + MgCl2 · 6H2O (30 %)
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Temperatur (°C)
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„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 14 von 33
2.3 Gesamtbewertung und Auswahl der für den Einsatz als Wärmespeichermaterial geeignetsten Stoffsysteme
Scheidet man die aus preislichen und physikalischen Eigenschaften ungeeigneten Stoffe
Bariumhydroxid-Oktahydrat, Kalium-Alaun und Aluminiumsulfathydrat sowie das Magnesium-
chlorid-Hexahydrat als Einzelsalz aus, so verbleiben die in der folgenden Tabelle 1 miteinander
verglichenen Stoffsysteme für eine bevorzugte Anwendung.
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 15 von 33
Tabelle 1: Vergleich von Speichersalzsystemen
Schmelzpunkt [°C] Latentwärme [kJ] Preis Stoffsystem (Chemische Formel) Beginn Ende [kJ/kg] [kJ/l] [€/100
kg]
Korrosivität Neigung zur Unterkühlung
Max. Temperatur-belastbarkeit
[°C]
Mg(NO3)2 · 6H2O 89 89 160 260 141 gering gering ca. 150
80 % Mg(NO3)2 · 6H2O 20 % MgCl2 · 6H2O
72 57 162 262 16 gering gering ca. 150
70 % Mg(NO3)2 · 6H2O 30 % MgCl2 · 6H2O
63 57 164 265 103 gering gering ca. 155
60 % Mg(NO3)2 · 6H2O 40 % MgCl2 · 6H2O
58 57 166 267 91 gering gering ca. 155
50 % Mg(NO3)2 · 6H2O 50 % MgCl2 · 6H2O
72 57 168 270 78 gering gering ca. 160
90 % Mg(NO3)2 · 6H2O 10 % LiNO3
72 72 182 298 884 gering gering ca. 150
NaOH · H2O 65 64 272 468 85 mittel mittel ca. 180
Na-Acetat · 3H2O 58 57 265 382 14 gering mittel ca. 120
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 16 von 33
3 Entwicklung von Speichern zur Speicherung von Motorabwärme im Temperaturbereich < 100 °C
3.1 Bau und Erprobung eines 10 l-Speichers mit Rohrschlange aus Glas (Typ I)
Die Versuchsanordnung bestand aus
1 Dewargefäß (1) mit folgenden Abmessungen
- Innendurchmesser: 200 mm
- Tiefe: -
- Gesamtvolumen: -
- Nutzbares Volumen: 10 l
- Material: Borasilikatglas -
1 Heizschlange (3) mit folgenden Abmessungen
- Durchmesser außen: 185 mm
- Durchmesser innen: 160 mm
- Windungsanzahl: 17
- Rohrinnendurchmesser: 10 mm
- Wandstärke: 1 – 1,2 mm
- Gesamtrohrlänge: 10 m
- Wärmetauschfläche: 0,40 m2
Die Rohrschlange wurde 1,6 bzw. 2,4 m3/h Luft durchströmt. Dadurch ergab sich als Strömungsge-
schwindigkeit 5,7 bzw. 8,5 m/s. Das Dewar-Gefäß war in einem handelsüblichen Behälter mit
Deckel eingelassen (Durchmesser 250 mm, Höhe 600 mm). Die erforderliche Luft wurde mit einem
Labor-Gebläse erzeugt und mit einem Durchflussmesser gemessen. In einem Parallelversuch
wurde mit 10 l/h Wasser gekühlt.
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 17 von 33
Abbildung 5: Speicherzelle vom Typ I
1 Dewargefäß
2 Vakuum
3 Rohrschlange
4 Lufteintritt
5 Luftaustritt
6 Deckel mit Isolation
7 PCM-Schmelze
1
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070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 18 von 33
Abbildung 6: Abkühlung von PCM 70/60-Schmelze im Dewargefäß mit Luft (Mg(NO3)2 · 6H2O + MgCl2 · 6H2O 1 : 1)
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Tem
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n °C
Lufteintrittstemperatur
Luftaustrittstemperatur
Innentemperatur der Zelle
Pause (1 Stunde)
Versuchsparameter: -Schmelzemasse: 15kg -Einfülltemperatur: 95°C -Luftdurchsatz: 1,6m³/h -Dauer: 56h (aktiv: 52h, passiv: 2h)
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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3.2 Bau und Erprobung eines 50 kg-Speichers mit Haarnadel-Rohrbündelaustauscher (Typ II)
Der Wärmespeicher besteht aus folgenden Bauelementen:
1 Prismatischer Behälter aus Blech (1)
Länge: 500 mm
Höhe: 400 mm
Breite: 125 mm
Volumen: 25 l
Gewicht des Behälters: 8,7 kg
1 Haarnadel-Rohrbündelaustauscher (2)
Rohrlänge: 24 m
Rohrdurchmesser: 10 mm
Plattenabmessung: 20 x 400 mm Gesamtfläche: 9,6 m2
Gewicht des Wärmeaustauschers: 10,5 kg
Volumen: 2,9 Liter
1 Isolierhülle aus Styropor-Platten: 1,0 kg (3)
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 20 von 33
Abbildung 7: Aufbau der Speicherzelle vom Typ II
1 Gefäß aus Stahlblech
2 Isolation
3 Rohrschlange mit Wärmeleitplatten
4 Lufteintritt
5 Luftaustritt
6 Deckel mit Isolation
7 PCM-Schmelze
1
4
2
3
7
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1
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7
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070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 21 von 33
Abbildung 8: Temperaturverlauf der 50 kg-Zelle (Typ II) bei 35 l/h Belastung
0102030405060708090100
010
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Zeit
[min
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Temperatur [°C]
T_ei
n [°
C]
T_au
s [°
C]
T_in
nen
[°C
]
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 22 von 33
Abbildung 9: Wärmeabgabe der 50 kg-Zelle (Typ II) bei 35 l/h Belastung
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90Zeit [min]
Wär
mea
bgab
e [k
J/m
in]
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070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 23 von 33
3.3 Bau und Erprobung eines 100 kg-Wärmespeichers mit Plattenwärmeaustauscher
(Typ III)
Die 100 kg Wärmespeicherbatterie bestand aus einer Wärmespeicherzelle und war aus folgenden
Bauteilen aufgebaut:
1 Stck. prismatischer Schmelzebehälter aus Stahlblech mit den Abmessungen:
Länge: 650 mm
Breite: 150 mm
Höhe: 550 mm
Volumen: 53,6 l
Nutzvolumen: 50 l
Material: Stahlblech
Gewicht, leer: 11,0 kg
1 Stck. Profil-Plattenwärmeaustauscher nach DIN mit den Abmessungen:
Länge: 600 mm
Breite: 40 mm
Höhe: 500 mm
Anzahl der Platten: 2
Anzahl der Lamellen: 2
Material: Stahlblech mit Korrosionsschutzanstrich
Gewicht, leer: 16,5 kg
Wärmetauschfläche ohne Lamellen: 1,2 m2
Wärmetauschfläche mit Lamellen: 3,8 m2
- PCM-Füllung
· Art des PCM: NaOH · H2O, Mg - NO3 - Cl · 6H2O (50 : 50)
· Volumen des PCM: ca. 40 l
- Wasser-Füllung: 6 l
- Isolationshülle aus
Styroporplatten + Deckel: 3 kg
- Gesamt-Betriebsgewicht: 100,5 kg
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070525 sachbericht_9304_lawäspei_veröff.doc/dr.sche-lü Seite 24 von 33
Abbildung 10: 100 kg Zelle vom Typ III
PCM-65 (NaOH · H2O)
Abhängigkeit von Leistung und Energieabgabe von der Belastung
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6Zeit [h]
abge
gebe
ne L
eist
ung
[kW
]
Wasserdurchsatz 30 l/h
Wasserdurchsatz 40 l/h
Wasserdurchsatz 60 l/hWasserdurchsatz 80 l/h
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 1 2 3 4 5 6
Zeit [h]
abge
gebe
ne W
ärm
emen
ge [k
Wh]
Wasserdurchsatz 30 l/hWasserdurchsatz 40 l/h
Wasserdurchsatz 60 l/hWasserdurchsatz 80 l/h
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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3.4 Bau und Erprobung eines Speichers mit hoher Entnahmeleistung (Hybrid-Speicher, Typ IV)
Aufgrund der Kontakte zur Automobil-Zulieferindustrie wurde die Aufgabe der Entwicklung eines
für den Fahrzeugeinsatz geeigneten Speichers mit einer hohen Entnahmeleistung bei extrem
kurzer Dauer der Wärmeabgabe zusätzlich in das Arbeitsprogramm aufgenommen. Dieser
Speicher kann allein oder in Kombination mit einem thermischen Brennergerät arbeiten. In
letzterem Fall übernimmt der Speicher die Wärmeabgabe im Zeitraum 0 bis 25 Sekunden, in
welchem das Brennergerät noch keine ausreichende Wärme abgibt.
Diese Anforderungen erfüllt ein hybrider Wärmespeicher für automotive Anwendungen, der bei
geringem Platzbedarf, geringer Masse und geringem Fertigungsaufwand möglichst viel Wärme
speichert, diese bei der Entladung selbst bei tiefen Außentemperaturen mit hoher Leistung
innerhalb kürzester Zeit in Form heißer Motorkühlflüssigkeit abgibt und zusätzlich in der Lage ist,
die unvermeidbaren Wärmeverluste an die Umgebung weitgehend auszugleichen, ohne dass der
Speicherinhalt völlig auskühlt.
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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Abbildung 11: Aufbau und Funktionselemente des Hybridspeichers vom Typ IV
2
3
4
5
6
7
8
9a
9b
1
1011
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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Abbildung 12: Aufbau des Prüfstandes – Laden des Speichers –
TETETE
TRTRTR
V1
V2
V3 V4
V5
TATATA
TITITI
1
2
3
ca. 90 °C
5
4
1 Dewargefäß für Glykol (-20 °C)2 Dosierpumpe (0 – 250 l/h)3 Thermostat mit Glykol (+ 90 °C)4 Wärmespeicher (1,5 / 2,0 / 3,0 l)5 Dewargefäß für Glykol (+80 °C)
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Abbildung 13: Aufbau des Prüfstandes – Entladen des Speichers –
TETETE
TRTRTR
V1
V2
V3 V4
V5
TATATA
TITITI
1
2
3
ca. 90 °C
5
4
1 Dewargefäß für Glykol (-20 °C)2 Dosierpumpe (0 – 250 l/h)3 Thermostat mit Glykol (+ 90 °C)4 Wärmespeicher (1,5 / 2,0 / 3,0 l)5 Dewargefäß für Glykol (+80 °C)
„Latentwärmespeicher für Nutzfahrzeuge“ - Veröffentlichung -
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Tabelle 2: Kurzzeitwärmespeicher für Kraftfahrzeuge vom Typ IV – Erprobungsdaten und Vorgaben –
Parameter Vorgabe Ø Ergebnis 3 l –Speicher Ø Ergebnis 1,5 l Speicher
Abmessungen incl. Isolation 150 x 150 x 150 mm Ø 150 mm, H 250 mm Ø 125 mm, H 200 mm
Volumen incl. Isolation 3,375 l Nutzvolumen: 3,0 l Isolation: 1,2 l Gesamt: 4,2 l
Nutzvolumen: 1,5l l Isolation: 1,0 l Gesamt: 2,5 l
Wärmeabgabeleistung > 5 kW zu Beginn nach 5 Sekunden: 10 ± 2 kW nach 10 Sekunden: 10 ± 2 kW nach 30 Sekunden: 10 ± 2 kW nach 60 Sekunden: 10 ± 2 kW
nach 5 Sekunden: 4 ± 1 kW nach 10 Sekunden: 6 ± 2 kW nach 30 Sekunden: 6 ± 2 kW nach 60 Sekunden: 4 ± 1 kW
Dauer der Wärmeabgabe möglichst innerhalb 100 Sekunden
besser < 30 Sek.
< 100 Sekunden < 60 Sekunden
Wärmeentnahme > 400 kJ innerhalb 100 Sekunden
nach 10 Sekunden: 100 kJ nach 30 Sekunden: 300 KJ nach 60 Sekunden: 600 kJ nach 100 Sekunden: 850 kJ
nach 10 Sekunden: 60 kJ nach 30 Sekunden: 180 KJ nach 60 Sekunden: 340 kJ nach 100 Sekunden: 440 kJ
Gesamt-Energieinhalt > 500 kJ 900 – 1.000 kJ 450 – 550 kJ
Wärmeabgabeleistung nach 1 Tag
> 5 kW zu Beginn nach 5 Sekunden: 8 - 10 kW nach 10 Sekunden: 8 – 10 kW nach 30 Sekunden: 8 – 9 kW nach 60 Sekunden: 3 – 4 kW
nach 5 Sekunden: 4 - 5 kW nach 10 Sekunden: 4 – 5 kW nach 30 Sekunden: 3 -. 4 kW nach 60 Sekunden: ca. 2 kW
Wärmeentnahme nach 1 Tag > 250 kJ nach 30 Sekunden: 250 – 300 kJnach 60 Sekunden: 400 – 450 kJ
nach 30 Sekunden: ca. 120 kJ nach 60 Sekunden: ca. 200 kJ
Gewicht keine Vorgabe Leergewicht m. Einbauten: 2.100 g Betriebsgewicht: 4.700 g
Leergewicht m. Einbauten: 1.400 g Betriebsgewicht: 2.500 g
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Abbildung 14: Entladecharakteristik des 1,5 l-Hybridspeichers
Zeitlicher Verlauf der entnommenen Heißwassertemperatur (Wasserdurchfluss: 58 l/h)
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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
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Tem
pera
tur [
°C]
Lufteintrittstemperatur Luftaustrittstemperatur
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Abbildung 15: Entladecharakteristik des 3 l-Hybridspeichers
Zeitlicher Verlauf der entnommenen Heißwassertemperatur (Wasserdurchfluss: 100 l/h)
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°C]
Lufteintrittstemperatur Luftaustrittstemperatur
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4 Untersuchungen zu Hochtemperatur-Wärmespeichern
Als Alternative zur Speicherung von Motorabwärme in Form heißer Motorkühlflüssigkeit bietet sich
die Speicherung von Wärmeenergie auf höherem Temperaturniveau an, die in der Ladephase dem
Abgasstrang entnommen wird. Beim Entladevorgang kann die als fühlbare und latent gespeicherte
Wärme als Heißluft entnommen werden und damit entweder Motor oder Katalysator in der Start-
phase schneller erwärmt werden, als das ohne Wärmespeicher der Fall ist. Zunächst wurden Stoff-
systeme untersucht, welche die Anforderungen erfüllen.
Geeignete Stoffe sind Lithiumnitrat sowie verschiedene Schmelzrezepturen mit Phasenumwand-
lungspunkten zwischen 120 und 240 °C. Allerdings zerstört LiNO3 in der Regel beim
Phasenwechsel das Gefäß.
Die Erprobung erfolgte mit einem Heißluftstrom von 500 °C, der in einer handelsüblichen
elektronisch geregelten Heißluftpistole vom Typ Steinel HL 2010 E erzeugt wurde.
Das Abkühlen erfolgte mit einem Kaltluftstrom (ca. 20 °C), dessen Menge bei den meisten
Versuchen auf 1.800 l/h (0,5 l/s) eingestellt wurde.
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4.1 Bewertung untersuchter PCM für Hochtemperaturzelle
Die wichtigsten Bewertungskriterien sind im Folgenden dargestellt.
Tabelle 3: Haupteigenschaften von Hochtemperatur-PCM-Schmelzen
Fp [°C] Eigenschaften / Bewertung Lfd.-Nr. Zusammensetzung
(gemessen) Speicherbare Wärmemenge
Gefäßzerstörung Aggressivität zu Werkstoffen
Temperatur-stabilität
Preis
HT - 1 100 % LiNO3 254 ++ -- + ++ --
HT - 2 binär 228 - + + ++ +
HT - 3 binär 232 + + + ++ +
HT - 4 binär 223 - + + ++ ++
HT - 5 mono 244 + + + - --
HT - 6 binär 173 - + + ++ -
HT - 7 ternär ca. 120 0 + ++ ++ 0
HT - 8 ternär 143 0 + ++ ++ +
++ sehr günstig 0 mittel -- sehr ungünstig
+ günstig - ungünstig