PCM-Screening-2 - Evaluierung eutektischer Gemische für den Einsatz als PCM: thermodynamische Modellierung und experimentelle Methoden - 2

Abstract

Durch den Einsatz von Wärme- und Kältespeichern in Gebäuden, Industrieanlagen und Kraftwerken können Lastschwankungen reduziert und die Anlageneffizienz verbessert werden. Latentwärmespeicher (PCM) ermöglichen durch Ausnutzung einer fest-flüssig Phasenumwandlung hohe Speicherdichten bei geringen Temperaturdifferenzen. Die Verfügbarkeit geeigneter und kostengünstiger PCM’s ist derzeit noch eingeschränkt. Ein Screening geeigneter Stoffsysteme zur Bildung multinärer Eutektika durch thermodynamische Modellierung der Phasengleichgewichte erlaubt fundierte Vorhersagen zur Zusammensetzung eutektischer Gemische, ihren Schmelztemperaturen und -enthalpien. Auf Basis der Literatur, umfangreicher experimenteller Untersuchungen und Simulationen wurde im Projekt eine im Temperaturbereich nicht eingeschränkte thermochemische Datenbank für das komplexe Stoffsystem Na+, K+, Ca2+, Mg2+ // Cl−, NO3−, SO4_2−, CO3_2− // H2O geschaffen, die eine Auswahl neuer PCM mit optimalen thermodynamischen Eigenschaften für spezifische Prozessanforderungen auf Basis von in Deutschland in großen Mengen verfügbaren, preiswerten Rohstoffen ermöglicht. Weiterhin wurde ein CalPhaD-basiertes Viskositätsmodell, ein Screening-Verfahren inkl. Webserver und intuitive Visualisierungsmöglichkeiten hochkomponentiger Systeme entwickelt. Mittels eines Screenings erfolgte eine Vorauswahl von potentiell als PCM geeigneten Gemischen, die umfangreich charakterisiert wurden. Auf Basis der vielversprechenden Speicherdichten und der niedrigen Materialkosten wird erwartet, dass ein oder mehrere dieser identifizierten PCMs in die Anwendung als thermische Speicher gebracht werden können. The use of heat and cold storage systems in buildings, industrial plants, and power stations can reduce load fluctuations and improve plant efficiency. Latent heat storage systems (phase change materials - PCM) enable high storage densities with low temperature differences by exploiting a solid-liquid phase transition. The availability of suitable and cost-effective PCMs is currently still limited. Screening suitable material systems for the formation of multinary eutectics through thermodynamic modeling of phase equilibria allows well-founded predictions to be made about the composition of eutectic mixtures, their melting temperatures, and enthalpies. Based on the literature, extensive experimental investigations, and simulations, the project created a thermochemical database for the complex material system Na+, K+, Ca2+, Mg2+ // Cl−, NO3−, SO4_2−, CO3_2− // H2O was created, which enables the selection of new PCMs with optimal thermodynamic properties for specific process requirements based on inexpensive raw materials available in large quantities in Germany. Furthermore, a CalPhaD-based viscosity model, a screening procedure including a web server, and intuitive visualization options for highly component systems were developed. A screening process was used to preselect mixtures potentially suitable as PCMs, which were then extensively characterized. Based on the promising storage densities and low material costs, it is expected that one or more of these identified PCMs can be put into application as thermal storage.