Wasser-in-Öl-Dispersionen für Kälteanwendungen - Potentiale zur Kältespeicherung und -transport

Wasser-in-Öl-Phasenwechsel-Dispersionen ("Phase Change Slurries", PCS) können große Mengen von Kälte in sensibler und latenter Form unter 0 °C speichern und transportieren, wofür der Gefrierpunkt des Wassers abgesenkt wird. Diese Gefrierpunktserniedrigung wird durch das Auflösen von Zusatzstoffen, wie z. B. Salz, im Wasser erreicht. PCS werden durch Dispergieren des Wassers in Öl mittels Rotor-Stator- oder Ultraschall hergestellt. Die Dispersion wird mit einem oder mehreren Tensiden stabilisiert. Selbst nach dem Gefrieren des Wassers bleibt die PCS aufgrund der kontinuierlichen Ölphase flüssig. Durch die hohe spezifische Wärmekapizität des Wassers im Vergleich zum Öl sowie durch die Nutzung der Schmelzwärme des Wassers bzw. einer Wasser-Salzmischen besitzen die PCS eine deutlich höhere Speicherkapazität als das reine Öl. Die theoretische Analyse zeigt, dass Wasser in Öl PCS die Wärmekapazität von reinem Öl übertreffen, weil die spezifische Wärmekapazität des Öls (~2 kJ/kg K) im Vergleich zu Wasser oder einer Salz-Wassermischung (ca. 3,4 bis 4,18 kJ/kg K) gering ist. Die erreichbare Speicherkapazität des PCS ist stark von der dispergierten Wassermenge abhängig. Darüber hinaus kann der Phasenwechsel durch eine geeignete Wasser-Salzmischung auf eine bestimmte Anwendungstemperatur angepasst werden, so dass der Gefrier- und Schmelzprozess zusätzlich zur sensiblen Wärmespeicherung genutzt werden kann. In diesem Beitrag werden theoretisch die Speicherkapazitäten von Wasser in Öl Dispersionen mit dem reinen Öl verglichen und eine erste Kostenanalyse durchgeführt, sowie Ergebnisse von einer im Labormaßstab hergestellten Dispersionen präsentiert. Die Ergebnisse einer PCS mit 20 Vol.-% Wasser in der Ölphase bestätigen die die theoretischen Analysen und zeigen auch experimentell die Erhöhung der Speicherkapazität von 17 kJ/l beim reinen Öl auf 70 kJ/l (im 10 K Temperaturintervall mit Phasenwechsel) nach dem Dispergieren des Wassers, sowie eine gute Stabilität bei der Lagerung und unter thermomechanischer Belastung.