Form-stabilisierte Latentwärmespeicher – Innovation für die Automotive Branche aus Mitteldeutschland

Die IQ Innovationspreis Mitteldeutschland 2020, Clustersieger Automotive: Martin-Luther-Universtiät Halle-Wittenberg, Institut für Chemie, Fachbereich Technische Chemie, AK Hahn (v.l.n.r.) Felix Marske und Florian Himmelstein (Quelle: EMRM, Foto: Tom Schulze)

Mit ihrem Form-stabilisierten Latentwärmespeicher konnten Felix Marske und der Arbeitskreis Prof. Hahn vom Institut für Chemie der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg den Clusterpreis Automotive des IQ Innovationspreis Mitteldeutschland 2020 gewinnen. Die Innovation könnte sowohl die Elektromobilität als auch die Wärmeversorgung von Gebäuden revolutionieren. 

Die Inhalte dieser Porträtreihe werden uns dankenswerterweise von unserem Partner der Europäischen Metropolregion Mitteldeutschland zur Verfügung gestellt.

Innovation aus der Universität für die Elektromobilitäts-Branche

Die Zukunft der Automobilindustrie hängt von der Elektromobilität ab. Ihr Herzstück sind Lithiumionen-Batterien, die möglichst leistungsstark sein müssen, um große Reichweiten zu ermöglichen. Bei der Ladung und dem Betrieb tritt allerdings Wärme als Nebenprodukt auf, welche nicht nur die Leistung, sondern auch die Langlebigkeit der Batterien negativ beeinträchtigt. Eine effiziente Kühlung, die das Problem löst, hat das Team vom Institut für Chemie der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg entwickelt und wurde dafür mit dem vom Automotive Cluster Ostdeutschland (ACOD) und VW Sachsen gestifteten Clusterpreis Automotive prämiert. 

Den Kern der Innovation bilden sogenannte Latentwärmespeicher, die Wärme speichern, indem sie ihren Aggregatzustand ändern.

„Ein alltagsnahes Anwendungsbeispiel solcher Wärmespeicher sind Handwärmekissen, die bei kalten Temperaturen für angenehm warme Hände in unseren Jackentaschen sorgen. Durch einen Wechsel vom festen in einen flüssigen Aggregatzustand können sie enorm viel Wärme aufnehmen und speichern. Beim Erstarren geben sie diese dann wieder an ihre Umwelt respektive unsere Hände ab“, verdeutlich Felix Marske das Wirkprinzip anschaulich. 

Grundlage dafür sind sogenannte Phasenwechselmaterialien (engl. phase change material – kurz: PCM).  

Innovative Latentwärmespeicher sorgen für Durchbruch in der Wärmespeicherung

Ein Problem lag aber bisher genau in dem Übergang von einem Feststoff zu einer Flüssigkeit: Herkömmliches PCM verlor durch das Schmelzen die Form, drohte auszulaufen und erschwerte einen praktischen Einsatz daher enorm. Der vom Forscherteam um Felix Marske entwickelte Form-stabilisierte Latentwärmespeicher besteht aus ungefährlichen Fettsäureestermolekülen, die durch ein nanoskopisch kleines Silikatgerüst eingekapselt werden, wodurch die geringe Wärmeleitfähigkeit erhöht wird und so ein gleichmäßiges Schmelzen des Wärmespeichermaterials ermöglicht wird.

Extrem starke Kapilarkräfte hindern letzten Endes das PCM am Austreten. Nachdem seit 50 Jahren an diesen Kühlmitteln geforscht wurde, gelang den Wissenschaftlern nun der Durchbruch. Damit wird die Handhabung von Latentwärmespeichern enorm erleichtert, was komplett neue Nutzungsmöglichkeiten für die Industrie ermöglicht. 

Anwendungsbereich Automotive und im Solar-Bereich

„Wir müssen jetzt vor allem noch ingenieurstechnische Aspekte klären. Deshalb ist es wichtig, mit der Automobilindustrie ins Gespräch zu kommen, die uns sagt, wie viel Wärme abgepuffert werden soll und wir dann gemeinsam überlegen können wie und wo die Form-stabilisierten Latentwärmespeicher verbaut werden können“, erklärt Felix Marske.

Denkbar wäre es aus Sicht der Hallenser künftig den kompletten Batterieblock von Elektroautos mit dem Material zu ummanteln oder die einzelnen Akkuzellen, aus denen eine Batterie besteht, zu verkleiden.

„Der IQ-Preis stellt für uns eine unglaublich starke Motivation dar. Allein durch die Teilnahme gelangt man zu ungeahnter Aufmerksamkeit für sein Projekt und findet durch die neu geknüpften Kontakte zu Realisierungsmöglichkeiten und Lösungswegen, die einem so vorher nicht zugänglich waren.“ 

Auch für den Einsatz in anderen Bereichen, etwa bei der Solarthermie oder im Gebäudesektor sieht er großes Potential. Die Form-stabilisierten Wärmespeicherstoffe könnten den weltweiten Energieverbrauch von etwa 30% fürs Heizen von Räumen drastisch senken, erklärt der Wissenschaftler. Das neu entwickelte Produkt kann immerhin 14 Mal mehr Wärme speichern als herkömmliche Baustoffe wie Beton oder Gips.

„Wärme ist die schnellste Möglichkeit unseren Energieverbrauch von fossilen Energieträgern in den nächsten Jahren zu reduzieren und so den Klimawandel zu verlangsamen“, davon ist Felix Marske überzeugt.

Bevor es so weit ist, müssen er und sein Team weitere Tests unter Realbedingungen und Langzeitanalysen durchführen, erst dann wird ein Verfahrenspatent beantragt. 

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