SAM.SSA

Advanced Materials – Grundlage innovativer Gebäude

Neue Phasenwechselmaterialien auf Basis von Zuckeralkoholen für Latentwärmespeicher

© Fraunhofer ISE

D-Mannitol im Tiegel nach 20 Zyklen mit Sauerstoffkontakt. Rechts: D-Mannitol im Tiegel nach 20 Zyklen ohne Sauerstoffkontakt.

Ziel des Projekts war die Entwicklung neuer Phasenwechselmaterialien (PCM) auf Basis von Zuckeralkoholen zur thermischen Speicherung. Hauptanwendung der Latentwärmespeicher im Projekt sind Langzeitwärmespeicher für Gebäude. So kann z. B. die überschüssige Wärme einer solarthermischen Anlage vom Sommer in den Winter gespeichert werden. PCM speichern Wärme im Phasenwechsel fest-flüssig. Im Vergleich zu anderen PCMs haben Zuckeralkohole eine hohe Schmelzenthalpie. Die Schmelztemperatur liegt meist zwischen 100 und 250°C. Um den Vorteil der hohen Schmelzenthalpie zu wahren und die Schmelztemperatur für Gebäude zu verringern, entwickelten die Partner Mischungen aus Zuckeralkoholen. Ein Schwerpunkt des Projekts war die Charakterisierung reiner Zuckeralkohole und der entwickelten Mischungen.

Am Fraunhofer ISE wurden die Anforderungen an den Speicher und damit die Randbedingungen für die Materialentwicklung in einer Simulation eines solarthermischen Systems zur Gebäudeheizung und Brauchwasserbereitstellung mit Latentwärmespeicher definiert. Eine wichtige Eigenschaft von PCMs ist die thermische Stabilität beim Durchlaufen der Schmelz- und Kristallisationszyklen. Deshalb haben wir die thermische Stabilität ausgewählter Zuckeralkohole und ihrer Mischungen untersucht und Methoden zur Bestimmung der Degradation entwickelt. Im ersten Schritt wurde eine Kurzzeitzyklierung des Materials durchgeführt, wobei dieses 20 mal über den Schmelzpunkt aufgeheizt und abgekühlt wurde. Als Maß für die Stabilität diente die Schmelzenthalpie vor und nach der Zyklierung. Im Fall einer stabilen Kurzzeitzyklierung wurde eine Langzeitzyklierung durchgeführt. Bei dem Zuckeralkohol D Mannitol konnte keine Langzeitstabilität gewährleistet werden. Erythritol und Xylitol wurden über einen längeren Zeitraum bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur konstant gehalten und die Schmelzenthalpie vor und nach der Behandlung bestimmt. Sie zeigten ein stabiles Verhalten unter den gegebenen Versuchbedingungen. Im Fall einer auftretenden Degradation konnte durch weitere Methoden gezeigt werden, dass unterschiedliche Faktoren, wie z. B. die Umgebungsatmosphäre, Einfluss auf den Degradationsgrad haben. Aufgrund der Schmelztemperatur der reinen Zuckeralkohole zwischen 100 und 250 °C ist darüber hinaus eine Anwendung in Prozesswärmeanlagen zur Erhöhung der Energieeffizienz vorgesehen.