Latentwärmespeieher Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher mit einem porösen Trägerkörper und einem Phasenübergangsmaterial, das in Poren des Trägerkörpers eingelagert ist.

In vielen technischen Prozessen ist es für die Energieeffi- zienz von Vorteil Wärme zu speichern, um sie zu einem späte ^¬ ren Zeitpunkt wieder abzugeben. Insbesondere bei der Stromerzeugung durch Solarthermie ist es erforderlich Wärme zu spei ^¬ chern, damit eine Stromversorgung auch bei Bewölkung und nachts möglich ist.

Als ein Wärmespeicher im Bereich der Hochtemperaturwärmespei- cherung kommt insbesondere ein Latentwärmespeicher in Frage, bei dem die Wärme benutzt wird, um einen Phasenübergang eines Phasenübergangsmaterials zu bewirken, insbesondere den Pha- senübergang von einer festen in eine flüssige Phase. Eine

Speicherung von Wärme erfolgt daher bei der Phasenübergangs ^¬ temperatur des Phasenübergangsmaterials. Herkömmlich kann der Latentwärmespeicher bis zu einer Temperatur von 400 °C betrieben werden, wobei diese Grenze durch die chemische Stabi- lität des verwendeten Phasenübergangsmaterials sowie durch die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Materials gegeben ist, welches das Phasenübergangsmaterial umgibt.

Herkömmlich kann das Phasenübergangsmaterial in einen Träger- körper eingebracht sein, der von einem Wärmeträgerfluid um ^¬ strömt wird. Dehnt sich das Phasenübergangsmaterial aufgrund des Phasenübergangs aus, können sich in dem Trägerkörper kritische Spannungen aufbauen, welche zu einer Bildung von Rissen führen können. Die Risse können zu einem Auseinanderbre- chen des Trägerkörpers führen, die Wärmeleitfähigkeit des

Trägerkörpers vermindern oder zu einem Austreten von dem Phasenübergangsmaterial aus dem Trägerkörper führen. Ein herkömmlicher Latentwärmespeicher hat lediglich eine geringe Zyklenbeständigkeit, d.h. mehrfaches Erwärmen und Abkühlen des Latentwärmespeichers führt zu einer Verminderung seiner Lebensdauer . Aufgabe der Erfindung ist es, einen Latentwärmespeicher für das Speichern von Wärme zu schaffen, wobei der Latentwärme ^¬ speicher bei einer hohen Betriebstemperatur eine lange Lebensdauer und eine hohe Zyklenbeständigkeit hat.

Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher weist einen porösen Trägerkörper auf, der mit einem Phasenübergangsmaterial zu ^¬ mindest teilweise gefüllte Poren aufweist, wobei im Inneren des Trägerkörpers dessen Struktur eine derartige Verteilung von Sollbruchstellen aufweist, dass sich beim Volumenzuwachs des Phasenübergangsmaterials bei dessen Phasenübergang die Vernetzung der Poren im Trägerkörper durch Aufbrechen von dessen Struktur an den Sollbruchstellen derart erhöht, dass der Volumenzuwachs des Phasenübergangsmaterials im Inneren des Trägerkörpers kompensierbar ist.

Durch das Aufbrechen der Sollbruchstellen kann sich das Phasenübergangsmaterial vorteilhaft auf benachbarte Poren erstrecken. Somit ist der Volumenzuwachs kompensierbar, wodurch die Bildung von unerwünschten Rissen im Trägerkörper unterbunden wird und somit vorteilhaft die Lebensdauer des Latentwärmespeichers lang ist. Bevorzugt ist es, dass die Po ^¬ ren, die Sollbruchstellen und das Phasenübergangsmaterial möglichst gleichmäßig in dem Trägerkörper verteilt sind. Der Trägerkörper weist bevorzugt ein sprödes und hochtempera- turfestes Material mit dünnen Trennwänden zwischen den Poren auf, wobei die dünnen Trennwände die Sollbruchstellen sind. Spröde Materialien vergrößern bei einer Temperaturerhöhung ihr Volumen nur geringfügig, so dass der Latentwärmespeicher auch in räumlich beschränkten Umgebungen vorteilhaft gut einsetzbar ist. Weil der Volumenzuwachs des Phasenübergangsmaterials durch das Aufbrechen der Sollbruchstellen kompensierbar ist, ist es vorteilhaft nicht erforderlich in den Poren ein großes Gasvo ^¬ lumen zum Kompensieren des Volumenzuwachses vorzusehen. Da- durch ist vorteilhaft eine hohe Beladung des Latentwärmespei ^¬ chers mit dem Phasenübergangsmaterial möglich. Indem das Pha ^¬ senübergangsmaterial in den porösen Trägerkörper eingebracht ist, ist eine gleichmäßige Verteilung des Phasenübergangsma ^¬ terials in dem Trägerkörper einfach erreichbar.

Der Latentwärmespeicher weist bevorzugt offene Poren auf, die miteinander verbunden sind und sich bis an die Oberfläche des Trägerkörpers erstrecken. Dadurch, dass die Poren offen ausgeführt sind, kann sich das Phasenübergangsmaterial bei dem Volumenzuwachs vorteilhaft auf benachbarte Poren erstrecken. Des Weiteren kann Gas, welches sich in den Poren befindet, beim Volumenzuwachs an die Oberfläche des Latentwärmespei ^¬ chers gelangen. Dadurch ist der Volumenzuwachs gut kompensierbar. Offene Poren sind insbesondere von Vorteil, wenn der Latentwärmespeicher im Betrieb von einem Gas umströmt wird, weil dadurch eine schnelle Wärmeübertragung zwischen dem Gas und dem Phasenübergangsmaterial möglich ist. Ferner kann der Latentwärmespeicher mit den offenen Poren vorgesehen werden, wenn das Phasenübergangsmaterial nicht in dem Fluid, welches den Latentwärmespeicher umströmt, lösbar ist und keine chemische Reaktion mit dem Fluid eingeht.

Bevorzugt weist der Trägerkörper ein gesintertes Material auf, wobei das gesinterte Material vorteilhaft einfach her- stellbar ist. Bevorzugt ist es, dass die offenen Poren derart vernetzt sind, dass sie Kanäle bilden, die Außenseiten des Trägerkörpers verbinden. Dadurch hat der Latentwärmespeicher vorteilhaft eine Permeabilität, wodurch eventuell zwischen zwei Außenseiten des Latentwärmespeichers auftretende Druck- unterschiede vorteilhaft ausgleichbar sind.

Die Oberfläche des Trägerkörpers ist bevorzugt mit einer Ver ^¬ siegelungsschicht bedeckt, wodurch das Phasenübergangsmateri- al vorteilhaft im Trägerkörper gehalten wird. Dies ist von Vorteil, wenn ein Kontakt von dem Phasenübergangsmaterial mit dem den Latentwärmespeicher umströmenden Fluid zu vermeiden ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Phasenüber- gangsmaterial ein wenig stabiles Salz ist, wenn das Fluid ein aggressives Gas und/oder eine aggressive Flüssigkeit, insbe ^¬ sondere eine Metallschmelze, ist. Bevorzugt weist die Versie ^¬ gelungsschicht ein Material auf, welches einen im Wesentli ^¬ chen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Latent- wärmespeicher hat, eine gute Wärmeleitfähigkeit hat und che ^¬ misch resistent gegen das Fluid und das Phasenübergangsmate ^¬ rial ist.

Der Latentwärmespeicher weist bevorzugt geschlossene Poren auf. Dadurch wird vorteilhaft ein Kontakt von dem Phasenüber ^¬ gangsmaterial und dem Fluid vermieden. Bevorzugtermaßen ist der Trägerkörper mit offenen Poren hergestellt und nachträglich verdichtet, wodurch die geschlossen Poren ausgebildet werden. Durch diese Herstellungsweise ist der Latentwärme- Speicher mit geschlossenen Poren vorteilhaft einfach herstellbar .

Die Poren sind bevorzugt derart angeordnet, dass sich das Trägerkörpermaterial zwischen zwei Poren verjüngt. Die Soll- bruchsteile befindet sich in der Regel an der Stelle, an der die Trägerstruktur zwischen zwei Poren am dünnsten ausgebildet ist. Bevorzugt ist das Phasenübergangsmaterial derart ge ^¬ wählt, dass bei den vorherbestimmten Betriebsbedingungen des Latentwärmespeichers der Phasenübergang zwischen einer festen und einer flüssigen Phase erfolgt. Bei dem Phasenübergang von der festen in die flüssige Phase ergibt sich lediglich eine geringe Volumenausdehnung des Phasenübergangsmaterials, wo ^¬ durch die Spannungsbelastung der Trägerstruktur vorteilhaft gering ist.

Das Phasenübergangsmaterial weist bevorzugt ein Salz, insbe ^¬ sondere ein Lithium-, Natrium-, Kalium-, Magnesium- oder Cal- ciumsalz, welches ein Fluorid, Chlorid, Oxid oder Carbonat ist, oder eine Mischung von Salzen auf. Bei den genannten Salzen, insbesondere bei den Fluoriden und Oxiden, handelt es sich um stabile Salze, welche auch bei einer hohen Temperatur chemisch beständig sind, wodurch sich vorteilhaft eine lange Lebensdauer der Wärmespeicherelemente ergibt.

Das Phasenübergangsmaterial weist bevorzugt ein Metall, ins ^¬ besondere Aluminium, oder eine Legierung auf. Durch die Wahl der Legierung oder der Mischung der Salze lässt sich vorteil- haft die Temperatur des Phasenübergangs vorherbestimmen.

Bevorzugt ist es, dass der Trägerkörper Keramik, Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid aufweist. Diese Materialien sind auch bei einer hohen Temperatur chemisch resistent, insbeson- dere gegen das Phasenübergangsmaterial im flüssigen Zustand, wodurch sich vorteilhaft eine lange Lebensdauer des Latent ^¬ wärmespeichers ergibt.

Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher ist bei einer Be- triebstemperatur unterhalb 300 °C betreibbar. Es sind jedoch auch Betriebstemperaturen möglich, die über 400 °C liegen, d.h. mit dem erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher sind Betriebstemperaturen möglich, die über den Betriebstemperaturen herkömmlicher Latentwärmespeicher liegen.

Im Folgenden werden mehrere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt eines Latentwärmespeichers mit einem

Trägerkörper mit offen Poren und vor einer Erwärmung auf die Phasenübergangstemperatur,

Figur 2 einen Schnitt des Latentwärmespeichers aus Fig. 1 nach der Erwärmung,

Figur 3 einen Schnitt des Latentwärmespeichers aus Fig. 1, wobei die Oberfläche des Latentwärmespeichers versiegelt ist, Figur 4 einen Schnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers mit einem Trägerkörper mit ge ^¬ schlossenen Poren und vor einer Erwärmung auf die Phasenüber- gangstemperatur und

Figur 5 einen Schnitt der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers aus Fig. 4 nach der Erwärmung. Wie es aus den Figuren ersichtlich ist, weist ein Latentwärmespeicher 1 einen Trägerkörper 2, ein Phasenübergangsmaterial 3 und eine Latentwärmespeicheroberfläche 7 auf. Im Betrieb des Latentwärmespeichers 1 kann ein Fluid an die Latentwärme ^¬ speicheroberfläche 7 geströmt werden und eine Wärmeübertra- gung kann zwischen dem Latentwärmespeicher 1 und dem Fluid via die Latentwärmespeicheroberfläche 7 erfolgen.

In dem Latentwärmespeicher aus Figuren 1 bis 3 weist der Trägerkörper offene Poren 4 auf. Wie es aus Figuren 1 und 2 er- sichtlich ist, sind die offenen Poren 4 miteinander verbunden und erstrecken sich bis an die Latentwärmespeicheroberfläche 7. Das Phasenübergangsmaterial 3 füllt die Poren 4 teilweise aus, während das nicht von dem Phasenübergangsmaterial 3 ge ^¬ füllte Volumen der Poren 4 mit einem Gas 8 gefüllt ist. Die miteinander verbundenen Poren 4 bilden Kanäle bis an gegenüberliegende Außenseiten des Latentwärmespeichers 1 aus, so dass der Latentwärmespeicher 1 eine Gaspermeabilität hat.

Wie in Figur 2 gezeigt, schmilzt nach einer Erwärmung des La- tentwärmespeichers 1 auf die Phasenübergangstemperatur das

Phasenübergangsmaterial 3. Das flüssige Phasenübergangsmate ^¬ rial 3 hat eine geringere Dichte als das feste Phasenüber ^¬ gangsmaterial 3 , wodurch sich beim Schmelzen das Volumen des Phasenübergangsmaterials 3 vergrößert. Dadurch verringert sich das Volumen in den offenen Poren 4, das dem Gas 8 zur Verfügung steht. Durch den Volumenzuwachs des Phasenübergangsmaterials 3 wird das Gas 8 aus den offenen Poren 4 an die Latentwärmespeicheroberfläche 7 und damit nach außerhalb des Latentwärmespeichers 1 verdrängt.

Der Latentwärmespeicher 1 kann auch, wie in Figur 3 gezeigt, von einer Versiegelungsschicht 6 bedeckt sein, so dass sich die Poren 4 nicht mehr bis an die Latentwärmespeicheroberflä ^¬ che 7 erstrecken. Dadurch wird ein Kontakt von dem Phasenübergangsmaterial 3 mit dem Fluid vermieden. Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, wird beim Volumenzuwachs des Phasenüber- gangsmaterials 3 im Falle eines Latentwärmespeichers 1 mit Versiegelungsschicht 6 das Gas 8 komprimiert.

Denkbar ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Weiterführung des in Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigten Latentwärmespei- chers 1, in der zwischen einer Struktur aus zusammenhängenden offenen Poren 4 und einer weiteren Struktur aus zusammenhängenden offenen Poren 4 Sollbruchstellen 9 ausgebildet sind, so dass bei der Ausdehnung des Phasenübergangsmaterials 3 die Sollbruchstellen 9 brechen und sich das Phasenübergangsmate- rial von der einen Struktur auf die andere Struktur erstrecken kann.

In der Ausführungsform aus Figuren 4 und 5 weist der Trägerkörper geschlossene Poren 5 auf. In Figur 4 ist dargestellt, dass der Latentwärmespeicher 1 geschlossene Poren 5 aufweist, wobei ein Teil der Poren 5 vollständig von dem Phasenübergangsmaterial 3 gefüllt ist und der andere Teil der geschlos ^¬ senen Poren 5 das Gas 8 aufweist. Der Trägerkörper 2 ist zwischen den geschlossenen Poren 5 dünn geformt, so dass an die- sen Stellen Sollbruchstellen 9 ausgebildet sind. Nach einer

Erwärmung des Latentwärmespeichers 1 auf die Phasenübergangs ^¬ temperatur vergrößert sich das Volumen des Phasenübergangsma ^¬ terials 3, wodurch sich in dem Trägerkörper 2 kritische Spannungen aufbauen, die zu einem Bruch der Sollbruchstellen 9, wie in Figur 5 dargestellt ist, führen. Insbesondere brechen die Sollbruchstellen zwischen einer mit dem Phasenübergangsmaterial 3 gefüllten Pore 5 und einer mit dem Gas 8 gefüllten Pore 5, so dass sich das Phasenübergangsmaterial 3 in die Po- re 5 mit dem Gas 8 erstreckt. Das dem Gas 8 zur Verfügung stehende Volumen ist kleiner als vor der Erwärmung, so dass das Gas 8 komprimiert wird. In einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung weist der Trägerkörper sowohl offene Poren 4 als auch geschlossene Poren 5 mit Sollbruchstellen 9 auf.