Im Zeitalter des raschen Ausbaus der erneuerbaren Energien ist die Bewältigung der intermittierenden Energieversorgung zu einer großen Herausforderung geworden. Als Kernstück der Technologie zur Speicherung thermischer Energie (TES) werden Phasenwechselmaterialien (PCM) aufgrund ihrer effizienten Energiespeicher- und -abgabefähigkeiten zu einem wichtigen Durchbruch bei der Lösung dieses kritischen Problems. Solche Materialien können nicht nur die Anforderungen der Fernwärme erfüllen, sondern eignen sich auch für verschiedene industrielle Anwendungen.
In diesem Artikel werden wir uns auf die Analyse von Phasenwechselmaterialien für die thermische Energiespeicherung konzentrieren und erörtern, wie sie zur Verbesserung der Energieeffizienz und der breiten Anwendung erneuerbarer Energien beitragen können.
Inhaltsübersicht
Was sind Phasenwechselmaterialien (PCM)?
Phasenwechselmaterialien (PCM) sind eine Klasse von Materialien, die in der Lage sind, bei einem Phasenwechsel (z. B. von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit) große Wärmemengen zu absorbieren oder abzugeben. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe latente Wärmekapazität aus, die es ihnen ermöglicht, Energie effizient auf relativ kleinem Raum zu speichern. Aufgrund ihrer ausgezeichneten Energiespeicherkapazität werden PCM derzeit in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Fernwärmeversorgung, beim Wärmemanagement in industriellen Umgebungen und bei der Speicherung erneuerbarer Energien.
Arten von Phasenwechselmaterialien
Phasenwechselmaterialien (PCM) können aufgrund ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften in die folgenden Kategorien unterteilt werden. Jede Art von PCM spielt aufgrund ihrer spezifischen physikalischen Eigenschaften und ihres Temperaturbereichs eine einzigartige Rolle in verschiedenen Szenarien der thermischen Energiespeicherung.
- Anorganische Systeme: Dazu gehören Salze, Salzhydrate und Metalllegierungen. Diese Materialien haben eine hohe Energiespeicherdichte und eine gute Wärmeleitfähigkeit und werden üblicherweise für die Speicherung von Wärmeenergie bei hohen Temperaturen verwendet.
- Organische Verbindungen: Zu den gängigen Verbindungen gehören Paraffinwachs und Fettsäuren. Diese Materialien weisen eine gute chemische Stabilität auf und sind nicht korrosiv. Sie eignen sich gut für Anwendungen zur Speicherung von Wärmeenergie bei niedrigen und mittleren Temperaturen.
- Polymere: Ein repräsentatives Beispiel ist Polyethylenglykol (PEG). Dieses Material ist sowohl flexibel als auch anpassungsfähig und damit ideal für spezielle Energiespeicheranforderungen.
Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Sie das Wärmemanagement Ihres Elektrofahrzeugs oder Ihres Energiespeichersystems optimieren können? Füllen Sie das untenstehende Formular aus und unser Expertenteam wird Sie für ein kostenloses Beratungsgespräch kontaktieren.
Wie Phasenwechselmaterialien bei der Speicherung thermischer Energie funktionieren
Phasenwechselmaterialien speichern und nutzen thermische Energie, indem sie latente Wärme absorbieren und wieder freisetzen. Das Verständnis der Funktionsweise ist daher entscheidend für die Auswahl des richtigen Phasenwechselmaterials. Bei Systemen zur Speicherung thermischer Energie (TES) spiegelt sich das Funktionsprinzip hauptsächlich in den folgenden beiden Aspekten wider:
Methode der Wärmeübertragung
- Direkter Kontakt: das PCM steht in direktem Kontakt mit der Wärmeträgerflüssigkeit, um den Wärmeaustausch zu realisieren, und die Wärmeleitfähigkeit dieses Materials ist hoch. Es ist jedoch zu beachten, dass eine Vermischung und Verunreinigung des Materials vermieden werden muss.
- Makroverkapselung: Das PCM ist in einem größeren Behälter aus einem neutralen Material eingekapselt. Dieser Ansatz erleichtert die Lagerung und Handhabung und verhindert gleichzeitig Leckagen und chemische Reaktionen.
- Mikroverkapselung: Verkapselung des PCM über Die winzigen Schalen ermöglichen eine gleichmäßigere Verteilung. Außerdem kann es direkt mit dem Matrixmaterial gemischt werden, was es ideal für die Speicherung von Wärmeenergie in Präzisionsgeräten macht.
Anforderungen an thermische Stabilität und Verkapselung
- Die Schmelz- und Erstarrungsprozess von PCM wirkt sich unmittelbar aus die Effizienz der Speicherung und Abgabe thermischer Energie. Sie bestimmt auch die Betriebstemperatur. Daher ist ein tiefgreifendes Verständnis dieses Prozesses unerlässlich. Sie müssen ein Phasenwechselmaterial mit einer Phasenwechseltemperatur auswählen, die der erwarteten Betriebsumgebung auf der Grundlage Ihrer spezifischen Anforderungen an die Speicherung thermischer Energie entspricht.
- Ein weiterer Punkt ist, dass sie gekapselt sein muss. Denn eine wirksame Verkapselung verhindert ein Auslaufen oder eine Verunreinigung der Leiterplatte während des Gebrauchs. Dies kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Systems bis zu einem gewissen Grad erhöhen.
Vor- und Nachteile von Phasenwechselmaterialien
Vorteile
- Höhere Energiespeicherdichte: PCM kann mehr Energie als latente Wärme speichern als herkömmliche hydrothermale Speichermethoden. Im Vergleich zu Wasser kann es mehr Wärme pro Masseneinheit speichern und hat eine höhere thermische Speichereffizienz.
- Geringerer Temperaturunterschied zwischen Lagerung und Freigabe: Die Temperatur bleibt während des Phasenwechsels relativ konstant, was die Stabilität und Effizienz der Speicherung und Freisetzung thermischer Energie verbessert.
- Vielseitiger Betriebstemperaturbereich: Es gibt verschiedene Arten von PCMs, die eine breite Palette von Bedürfnissen abdecken, von niedrigen Temperaturen (-20°C) bis zu hohen Temperaturen (über 100°C).
- Zyklierbarkeit: Das Material kann Tausende von Schmelz- und Erstarrungszyklen durchlaufen und eignet sich daher besonders für Energiespeichersysteme, die über einen langen Zeitraum hinweg wiederholt eingesetzt werden.
Benachteiligungen
- Hohe Anfangsinvestitionen: PCM-Materialien sind relativ teuer in der Entwicklung, Herstellung und Integration in Systeme, was einen großflächigen Einsatz einschränken kann.
- Eine geringe Wärmeleitfähigkeit beeinträchtigt die Wärmeübertragungsrate: PCMs haben in der Regel eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was zu einer langsameren Speicherung und Abgabe von Wärmeenergie führt.
- Begrenzter Betriebstemperaturbereich: Der effektive Betriebstemperaturbereich von PCMs ist durch ihre Phasenwechseltemperatur begrenzt, die für die jeweilige Anwendung genau ausgewählt werden muss, was sie weniger flexibel macht.
- Verkapselung und Leckageprobleme: PCMs sind im flüssigen Zustand anfällig für Leckagen, insbesondere anorganische Salze, die Speichergeräte korrodieren können. Daher sind spezielle Verkapselungstechniken erforderlich, um ein Auslaufen zu verhindern.
- Die Speichereffizienz wird durch die Umgebung beeinflusst: PCM ist empfindlich gegenüber Schwankungen der Umgebungstemperatur. Wenn zum Beispiel die hohe oder niedrige Temperatur außerhalb des Phasenübergangsbereichs liegt, kann es die Energiespeicherung nicht nutzen.
Die Rolle der TES-Technologie und PCM bei der Dekarbonisierung
TES-Technologien und PCMs sind für kohlenstoffarme Energiesysteme von entscheidender Bedeutung. Solche Systeme können das Problem der Schwankungen durch rationelle Wärmespeicherung und -abgabe wirksam vermeiden.
Umgang mit unterbrochener Stromversorgung
Erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie haben intermittierende Stromerzeugungsprozesse, die zu einer instabilen Stromerzeugung führen können. PCM in Kombination mit der TES-Technologie kann Abwärme und überschüssige Wärmeenergie effizient speichern und in Spitzenzeiten abgeben. Dadurch wird die Stromversorgungskapazität des Kraftwerks erheblich gesteigert und das Problem der schwankenden Stromerzeugung wirksam gelöst.
Geringerer Energieverbrauch und höhere Effizienz
Durch die Speicherung von Wärmeenergie mittels PCM können Kraftwerke das Angebot und die Nachfrage nach Wärmeenergie bei Leistungsschwankungen ausgleichen und einen effizienten Betrieb aufrechterhalten. Denn die Technologie der thermischen Energiespeicherung konserviert effektiv Wärme, die andernfalls in verschiedenen Formen verschwendet werden würde. Diese Energie wird dann freigesetzt, wenn sie benötigt wird, wodurch die Betriebskapazität des Kraftwerks verlängert wird. Diese Konstruktion maximiert den Wirkungsgrad.
Bei Trumonytechs können wir Wärmemanagementlösungen anbieten, die auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten sind. Wir sind auch auf die Erforschung und Anwendung der PCM-Technologie spezialisiert. Wir verpflichten uns zur Bereitstellung fortschrittliche Lösungen für das Wärmemanagement für Elektrofahrzeuge, Energiespeichersysteme und Wärmeübertragung.
FAQ
Die oben erwähnten Salze, Salzhydrate und Paraffine sind für die Wärmespeicherung besonders geeignet. Paraffin und Salzhydrate eignen sich für die Wärmespeicherung in Gebäuden bei niedrigen und mittleren Temperaturen, während Salze wie Nitrate eher für die Wärmespeicherung bei hohen Temperaturen geeignet sind.
Am wirtschaftlichsten ist Wasser, während geschmolzene Salze oder Metalle auf höhere Temperaturen erhitzt werden können und eine bessere Energieabsorption aufweisen.
PCB-Materialien geben durch Schmelzen und Erstarren große Mengen an Energie nach außen ab und nehmen sie auf.
