Im Projekt "Slurry-Hp I" hat das Potenzial der Kostensenkung durch die Verwendung der Eisbrei-Technologie mit der Unterkühlungsmethode für Solareisanwendungen aufgezeigt. Erste Arbeiten mit Wärmetauschern zur Unterkühlung von Wasser wurden im Projekt "Slurry-Hp II" durchgeführt.

Quelle: Fachhochschule OST, Rapperswil

Unterkühlung, auch Übersättigung genannt, ist ein Begriff der in weiten Kreisen nicht oft verwendet wird, aber er ist der Name eines Phänomens, das die Forschung auf dem Gebiet von Slurry (dt. Brei) aus Phasenwechselmaterialen am Institut für Solartechnik (SPF) bestimmt. Während in den letzten 50 Jahren sehr viel Forschung betrieben wurde um das Phänomen der Unterkühlung in Phasenwechselmaterialen mit einem Übergang vom festen in den flüssigen Zustand zu unterdrücken, nutzen es Forscher am SPF auf Grund seiner Vorteile gegenüber herkömmlichen Wärmespeichern mit Phasenwechselmaterialien. Durch Unterkühlung eines Phasenwechselmaterials befindet sich dieses in einem meta-stabilen Zustand der flüssigen Phase mit einer Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes. Beispielsweise können Wasser, Softdrinks oder Bier, abgefüllt in Flaschen, im heimischen Gefrierschrank auf eine Temperatur unter Null Grad Celsius gekühlt werden und nach dem Herausnehmen aus dem Gefrierschrank durch Schütteln teilweise gefroren werden. Diese Beobachtung war die Grundlage zur kommerziellen Herstellung von Slush Eis – ein vor Allem in den USA und England weit verbreitetes Erfrischungsgetränk. Der Hauptvorteil in der Nutzung der Eigenschaft der Unterkühlung von Phasenwechselmaterialen liegt darin, dass sie in hydraulischen Kreisläufen, d.h. im Fluss, mittels konventioneller Wärmetauscher kontrolliert unterkühlt werden können, ohne dabei in den festen Zustand überzugehen – was eine Blockade des Leitungssystems verursachen würde.

Phasenwechsel-Slurry

Die Unterkühlung von Phasenwechselmaterialien – hauptsächlich Wasser - in Wärmetauschern stand in den letzten Jahren im Fokus der Forschung am SPF und bildet die Grundlage in der Entwicklung neuartiger thermischer Speicher zum Heizen und Kühlen von Gebäuden sowie zur Speicherung industrieller Prozesswärme mittel Phasenwechsel-Slurry. Die Technologie basiert auf der Entkopplung der thermischen Speicherkapazität (kWh) unter Nutzung eines Phasenwechselmaterials, welches wiederholt vom festen in den flüssigen Zustand übergeht (und umgekehrt), und der Heiz- bzw. Kühlleistung (kW), die aus einer erneuerbaren Energiequelle stammt und an einen Verbraucher geliefert wird. Der Wärmetauscher ist dabei in einem hydraulischen System verbaut und wird nur von der flüssigen Phase des Phasenwechselmaterials durchflossen, so dass er immer die gleiche Effizienz besitzt. Durch dieses Vorgehen können die Kosten für die Speicherlösung reduziert werden, da keine komplexen und grossen Wärmetauscher in den Speichern selbst benötigt werden, welche durch die Kristallisation des Phasenwechselmaterials an ihrer Oberfläche von einem thermisch isolierenden Material überzogen werden. Dies ist beispielsweise in einem herkömmlichen Eisspeicher der Fall, wo der Wärmetauscher durch die Eisbildung auf seiner Oberfläche an Effizienz verliert, da Eis eine schlechte thermische Leitfähigkeit aufweist.

Spezifische Unterkühlungsmethode

Nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher wird das nun unterkühlte Wasser gezielt und an einem definierten Ort zur Eisbildung angeregt, dieses Bauteil wird Kristallisationseinheit genannt. Nach der Kristallisationseinheit ist Seite 2 die Unterkühlung komplett aufgehoben und die als sensible Wärme im unterkühlten Wasser gespeicherte Energie wurde unter der Bildung von Eiskristallen in latente Wärme umgewandelt. Nach dem Austritt aus der Kristallisationseinheit ist der Eisbrei nicht mehr unterkühlt, sondern hat eine Temperatur von 0 Grad, so dass es nicht zum unkontrollierten Zufrieren der Leitungen kommen kann. Damit der Kreislauf funktioniert, müssen die Eiskristalle im Speicher vom flüssigen Wasser getrennt werden, um zu verhindern, dass Eiskristalle in den Supercooler gepumpt werden. Dies ist durch den Dichteunterschied zwischen der festen und flüssigen Phase sowie einer Vorrichtung im Tankinneren möglich. Abbildung 2 zeigt den in den Tank strömenden Eisbrei.