Teilprojekt 9

Deswegen ist eine verfahrenstechnische Herstellung von Eisbrei erforderlich (z. B. Abbildung 1 d), Injektortechnik). Aufgrund der durchweg positiven Erfahrungen mit großen Kaltwasserspeichern [2] wird eine Kombination beider Techniken angestrebt (z. B. Normal-Betrieb im Kaltwassermodus, Spitzenlast-Betrieb mit optionaler Kapazitäts- und Leistungserhöhung mit Eisbrei). Die wäre für nachträgliche Anpassungen bestehender Nah- und Fernkältesysteme von außerordentlicher Bedeutung (z. B. Pharmaindustrie, kommunale Fernkälte). Es ist auch der Einsatz von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energiequellen möglich (Power-to-Cold). Diese Technologie wäre auch für den Export geeignet. In vielen Großstädten (z. B. in Asien) mit stark begrenzten Flächen- und Raumverhältnissen sind derartige Ansätze von sehr hoher Bedeutung.

Folgende Aufgaben sollen bearbeitet werden:

• Entwicklung eines Eisbreierzeugungsverfahren auf der Basis von dispergierbaren Mehrstoffsystemen im Modellmaßstab,
• Entwicklung eines Trenn- und Einspeiseverfahrens in konventionelle Kaltwasserssysteme,
• hybride Speicherbetriebsweise, Kaltwasser mit thermischer Schichtung, Verteilungsvorgänge bei der Eisbreibeladung, Entladung von Wasser mit niedrigem bis moderatem Eisanteil,
• Aufbau eines Demonstrators in der technischen Plattform sowie Test, Betrieb, Optimierung,
• Entwicklung von Ansätzen zur Überführung in den Megawatt-Bereich,
• Optimierung des Systembetriebs und der Anlagendimensionierung mittels validierter Simulationen.

Mehrere Wasser-in-Öl-Phasenwechseldispersionen (Phase Change Slurry, PCS) wurden im Verlauf des Projekts mittels Ultraschallverfahren (Abbildung 2) hergestellt und evaluiert. Dabei wurden verschiedene Ölphasen und Tenside auf Eignung für eine stabile PCS getestet. Die Stabilität während der thermischen Zyklierung zwischen gefrorenem und geschmolzenem Zustand wurde mit Hilfe von dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) und rheologischen Untersuchungen beurteilt. Eine Kombination aus Wasser, Alkanen und Polysorbaten hat sich als geeignet herausgestellt, um Kälte über einen Zeitraum von über einem Monat zu speichern und transportieren. Zusätzlich konnte eine dynamische Gefrierpunktserniedrigung zur Anpassung der Arbeitstemperatur an Anwendungsbedarfe realisiert werden, womit der Vorteil von latent gespeicherter Kälte genutzt wird. Gegenüber reinem Thermalöl ergibt sich je nach Wassergehalt eine vielfache thermische Speicherkapazität bei reduzierten Materialkosten. Perspektivisch soll die Phasenwechseldispersion mit Materialien geringerer Viskosität verbessert und in einer Versuchsanlage der Projektpartner getestet werden.

Es wurde ein neuartiges Verfahren zur Eisbreierzeugung basierend auf einem dispergierbaren Mehrstoffsystem entwickelt. Dieses soll die Limitierungen herkömmlicher Systeme überwinden, wie bspw. den Verschleiß mechanisch bewegter Bauteile, die Erfordernis einer separaten Kältemaschine, den Einsatz nachteiliger Kältemittel, den ineffizienten Kältemaschinenbetrieb, begrenzte Eisproduktionsraten bzw. Skalierbarkeit der Verfahren auf sehr große Kälteleistungen. Die bisherigen Arbeiten umfassen:

• die Recherche zum Stand der Technik und Forschung bzgl. Eisbreierzeugungsverfahren,
• die Konzeption und Entwicklung eines neuen Verfahrens auf Basis einer Mehrstoff-Dispersion,
• erfolgreiche Eisbreierzeugung in experimentellen Untersuchungen (Abbildung 3),
• sowie Planung und Aufbau eines Demonstrators im Labormaßstab.

Die Montage dieser Versuchsanlage erfolgt derzeit am ILK Dresden (Abbildung 4). Im Laufe des 4. Quartals 2024 wird sie in die Laborräume an der TU Chemnitz überführt und dort in Betrieb genommen. Der Demonstrator soll einerseits den Funktionsnachweis des neuentwickelten Eisbrei-Erzeugungsverfahrens erbringen. Andererseits soll er durch umfangreiche messtechnische Analysen der Prozessparameter ein tieferes Verständnis der auftretenden Kälteeffekte und die Optimierung des Verfahrens ermöglichen.