title: Investigation of latent heat storages in the temperature range between 100 °C and 250 °C for the optimization of industrial processes
title: Untersuchung zu Latentwärmespeichern im Temperaturbereich zwischen 100 °C und 250 °C zur Optimierung von Industrieprozessen
Creators: name: Deinert, Lisa
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 0
Subjects: subject: latent heat storage
subject: subcooling
subject: sugar alcohols
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 62 Ingenieurwissenschaften :: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

description: Due to the decreasing availability of fossil raw materials, the need for efficient energy use as well as the use of renewable energy sources is increasing. Various energy storage systems are needed for this energy transition. Thus, thermal energy storage systems can make an important contribution. Currently there is a lot of unused waste heat from industrial processes in the temperature range between 100 °C and 250 °C, which should be made usable. The aim of this work is the holistic development of a latent heat storage system for the utilization of industrial waste heat. On the one hand, the functionality of the storage system should be proven with regard to an application, on the other hand, material development of the PCM should lead to an increased flexibility of the storage duration. At the beginning of this work HDPE and different sugar alcohols are investigated as PCM. HDPE has a promising melting temperature and enthalpy for using the waste heat of a high temperature methanol fuel cell. This fuel cell represents the application case which is investigated in this work. By using the sugar alcohols as PCM, the flexibility of the storage period should be improved. With the help of the effect of subcooling, the time of crystallization can be changed and thus the storage duration can be extended. In material development, a PCM is now being sought which can both stably subcool and release heat on demand. By means of a literature search, the most promising sugar alcohols have been found. These are D- sorbitol, xylitol, erythritol, maltitol, isomalt, D-mannitol, dulcitol and myo-inositol. In this work, it is shown that these substances either crystallize immediately upon cooling or do not crystallize at all. The only exception is xylitol, which, however, has too low a melting point for the desired temperature range. Subsequently, various mixtures of these sugar alcohols are investigated. While eutectic mixtures prove to be unsuitable, the clever combination of vitrifying and crystallizing components achieves the desired result. In this way, a total of nine promising PCMs have been found. Since subcooling is volume-dependent, the next step is to conduct investigations in a larger laboratory storage tank. Under the defined conditions of this storage, the PCM Mal-Ery shows the best properties. In parallel to the PCMs, different triggering mechanisms of crystallization are investigated. The stirrer and the injection of air gave the best results. In a renewed scale-up, this storage system is investigated at 10 L pilot plant scale. Again, the PCM shows stability under subcooling and crystallization initiation succeeds up to about 40 °C. In the last step, Mal-Ery is investigated in the newly developed 70 L storage tank. In the developed storage tank, the focus is on good heat transfer and crystallization initiation is achieved by thermal energy. It is shown that the PCM is stably subcooled and the crystallization is adjustable by the choice of process parameters. In the 70 L storage tank, the second sugar alcohol erythritol and HDPE are investigated for comparison. Erythritol proves to be interesting due to its high enthalpy and shows no subcooling. HDPE proves difficult to handle due to its high viscosity. HDPE additionally serves as a PCM when investigating the application case. Here it can be successfully shown that the developed 70 L storage tank is able to take over the thermal management of the fuel cell. The waste heat from the fuel cell operation is stored in the storage tank. After a shutdown period of the fuel cell, this heat is used to preheat the fuel cell before start up.
description: Durch die sinkende Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe steigt die Notwendigkeit der effizienten Energienutzung sowie der Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Für diese Energiewende werden verschiedene Energiespeichersysteme benötigt. Somit können thermische Energiespeicher einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Besonders im Temperaturbereich zwischen 100 °C und 250 °C gibt es aktuell viel ungenutzte Abwärme aus industriellen Prozessen, welche nutzbar gemacht werden soll. Ziel der Arbeit ist die ganzheitliche Entwicklung eines Latentwärmespeicherssystems zur Nutzung industrieller Abwärme. Zum einen soll die Funktionalität des Speichers in Bezug auf eine Anwendung unter Beweis gestellt werden, zum anderen soll eine Materialentwicklung des Phasenwechselmaterials (PCM) zu einer erhöhten Flexibilität der Speicherdauer führen. Zu Beginn der Arbeit in der Materialentwicklung werden HDPE und verschiedene Zuckeralkohole als PCM untersucht. HDPE hat eine vielversprechende Schmelztemperatur und -enthalpie für die Nutzung der Abwärme einer Hochtemperatur-Methanol-Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle stellt den Anwendungsfall dar, welcher in dieser Arbeit untersucht wird. Durch die Verwendung der Zuckeralkohole als PCM soll die Flexibilität der Speicherdauer verbessert werden. Mit Hilfe des Effekts der Unterkühlung kann der Zeitpunkt der Kristallisation verändert werden und somit die Speicherdauer verlängert werden. In der Materialentwicklung wird nun ein PCM gesucht, welches sowohl stabil unterkühlt als auch auf Knopfdruck die Wärme wieder frei gibt. Mittels einer Literaturrecherche werden die vielversprechendsten Zuckeralkohole gefunden. Hierbei handelt es sich um D-Sorbitol, Xylitol, Erythritol, Maltitol, Isomalt, D-Mannitol, Dulcitol und Myo- Inositol. In der Arbeit wird gezeigt, dass diese Stoffe entweder sofort bei Abkühlung kristallisieren oder überhaupt nicht kristallisieren. Einzige Ausnahme ist Xylitol, welches jedoch einen zu niedrigen Schmelzpunkt für die gewünschte Temperaturspanne besitzt. Im Anschluss werden verschiedene Mischungen dieser Zuckeralkohole untersucht. Während sich eutektische Mischungen als nicht zielführend erweisen, erzielt die geschickte Kombination von verglasenden und kristallisierenden Komponenten das gewünschte Ergebnis. Auf diesem Weg werden insgesamt neun vielversprechende PCM gefunden. Da die Unterkühlung volumenabhängig ist, werden im nächsten Schritt Untersuchungen in einem größeren Laborspeicher durchgeführt. Unter den definierten Bedingungen dieses Speichers zeigte das PCM Mal-Ery die besten Eigenschaften. Parallel zu den PCM werden verschiedene Auslösemechanismen der Kristallisation untersucht. Die besten Ergebnisse lieferten der Rührer und das Eindüsen von Luft. In einem erneuten Scale-Up wird dieses Speichersystem im 10 L Technikumsmaßstab untersucht. Erneut zeigt sich das PCM stabil bei der Unterkühlung und die Kristallisationsauslösung gelingt bis ca. 40 °C. Im letzten Schritt wird Mal-Ery im neu entwickelten 70 L-Speicher untersucht. In dem entwickelten Speicher steht ein guter Wärmeübergang im Fokus und die Auslösung der Kristallisation erfolgt durch thermische Energie. Es zeigt sich, dass das PCM stabil unterkühlt und die Kristallisation durch die Wahl der Prozessparameter einstellbar ist. Im 70 L-Speicher wird zum Vergleich der zweite Zuckeralkohol Erythritol und HDPE untersucht. Erythritol erweist sich aufgrund seiner hohen Enthalpie als interessant und zeigt keine Unterkühlung. HDPE zeigt sich aufgrund der hohen Viskosität als schwierig in der Handhabung. HDPE dient zusätzlich als PCM bei der Untersuchung des Anwendungsfalls. Hier kann erfolgreich gezeigt werden, dass der entwickelte 70L-Speicher in der Lage ist, dass Thermomanagement der Brennstoffzelle zu übernehmen. Die Abwärme aus dem Brennstoffzellenbetrieb wird in den Speicher eingespeichert. Nach einer Stillstandszeit der Brennstoffzelle wird diese Wärme zum Vorwärmen der Brennstoffzelle vor dem Starten verwendet.