Titelbild Teilprojekt 9

Probleme und Motivation

Die Speicherung von Kaltwasser und Wassereis besitzt viele (theoretische) Vorteile (z. B. ökologischer Speicherstoff, Pumpfähigkeit von Eisbrei) [1]. Jedoch konnten sich Eisbreisysteme aus verschiedenen Gründen nicht durchsetzen (z. B. zu teure Anlagentechnik, zu niedrige Arbeitszahlen). Verschiedene Techniken (Abbildung 1) lassen sich auch nicht auf große Leistungen skalieren bzw. bei der Übertragung auf große Leistungen konnten keine Kostenreduktionen bzw. keine Effizienzsteigerungen erreicht werden.

Abbildung 1: Übersicht zu Eisbrei-Erzeugungsverfahren [1]

Ansatz und Aufgaben

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.

Stand und Ergebnisse

Im Teilprojekt 9 haben sich zwei verschiedene Ansätze zur Eisbreierzeugungsverfahren auf der Basis von dispergierbaren Mehrstoffsystemen als aussichtsreich erwiesen. Am Fraunhofer ISE werden Möglichkeiten zur Herstellung von Eisbrei mit Wasser-Öl-Emulsionen untersucht. Parallel dazu verfolgen die Forscher der TU Chemnitz einen Ansatz mit Mehrstoff-Dispersionen.

Eisbreierzeugung mit Öl-Wasser-Emulsion (ISE)

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. Aktuell befindet sich eine vielversprechende Kombination aus Wasser, Alkanen und Polysorbaten in der Optimierungsphase, sodass im folgenden Schritt auf die Gefrierpunktserniedrigung eingegangen werden kann. Perspektivisch soll die PCS mit umweltfreundlichen Materialien (z.B. niedrige Wassergefährdungsklasse) verbessert und in einem Pumpspeicher-Netzwerk getestet werden.

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Abbildung 2: Ultraschall-Lanze bei der Herstellung einer Dispersion (Foto: M. Kick)

Eisbreierzeugung mit Mehrstoff-Dispersion (TUCtt)

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),
  • und Planung eines Demonstrators im Labormaßstab.
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Abbildung 3: Im Labor erzeugter Eisbrei als Bestätigung für den Ansatz des neuen Verfahrens (Foto: M. Matthes)

Veröffentlichungen

Rausendorf, J.; Urbaneck, T.
Herstellungsverfahren von Eisbrei - Stand der Technik und Forschung
HLH Lüftung/Klima Heizung/Sanitär Gebäudetechnik VDI Fachmedien 74. Jg. (2023) Heft 03 S. 56-60. – ISSN 1436-5103

Matthes, M.; Rausendorf; J.; Richter, M.; Urbaneck, T.
Vorstellung eines neuartigen Verfahrens zur Erzeugung von Eisbrei auf der Basis eines dispergierbaren Zweistoffsystems, Teil 1
KI – Kälte-, Luft- und Klimatechnik, Hüthig 59. Jg. (2023) Heft 8-9 S. 44-47. – ISSN 1865-5432

Matthes, M.; Rausendorf; J.; Richter, M.; Urbaneck, T.
Experimentelle Untersuchung eines neuartigen Verfahrens zur Erzeugung von Eisbrei auf der Basis eines dispergierbaren Zweistoffsystems, Teil 2
KI – Kälte-, Luft- und Klimatechnik, Hüthig 59. Jg. (2023) Heft 10-11 S. 50-54. – ISSN 1865-5432

Quellen

  1. Urbaneck, T.: Kältespeicher – Grundlagen, Technik, Anwendung. München: Oldenbourg 2012, 479 S. – ISBN 978-3-486-70776-2
  2. Urbaneck, T.; Uhlig, U.; Göschel, T.: Große Kaltwasserspeicher – Stand der Technik in Deutschland. ki – Kälte-, Luft- und Klimatechnik Hüthig 55. Jg. (2019) Heft 12 S. 48-53. – ISSN 1865-5432
  3. Vorbeck, L.; Gschwander, G.; Thiel, P.; Lüdemann, B.; Schossig, P.: Pilot application of phase change slurry in a 5 m³ storage. Applied Energy Volume 109, September 2013, Pages 538-543. studies and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews January 2012.
  4. Niedermaier, S.; Biedenbach, M.; Gschwander, S.: Characterisation and Enhancement of Phase Change Slurries. Energy Procedia Volume 99, November 2016, Pages 64-71.
  5. Kauffeld, M.; Gund, S.: Ice slurry –History, current technologies and future developments. International Journal of Refrigeration 99 (2019) 264–271
  6. Schaaf, J.; Kauffeld, M.: Induction melting boundary layer of ice. In: Pro
  7. Urbaneck, T.; Richter, M.: Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension in einem geschlossenen Prozess. DE 10 2022 134 153.4, Patentanmeldung vom 20.12.2022.

Kontakt

Bild - Thorsten Urbaneck

Prof. Dr.-Ing. habil. Thorsten Urbaneck

Projektkoordinator und Teilprojektleiter 9

Technische Universität Chemnitz
Fakultät für Maschinenbau
Professur Technische Thermodynamik
09107 Chemnitz

Bild - Matthias Safarik

Dr.-Ing. Mathias Safarik

 

Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH (ILK)
Bertolt-Brecht-Allee 20
01309 Dresden

Bild - Moritz Kick

Moritz Kick

 

Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme (ISE)
Heidenhofstr. 2
79110 Freiburg

KETEC - Forschungsplattform Kälte- und Energietechnik