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Wärmespeicher, die sich selbst reparieren

Nummer 101/2020 vom 30. Juli 2020
Paraffin könnte zukünftig dabei helfen, Wärmespeicher im Boden langlebiger zu machen. Diese werden gebraucht, um zum Beispiel Sonnenenergie über einen längeren Zeitraum zu speichern. Geologen der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben in einer neuen Studie untersucht, inwieweit sich das Paraffin in die Hülle der Speicher einarbeiten lässt und ob dadurch Wärmeverluste verhindert und Risse von selbst verschlossen werden können. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Fachzeitschrift "PLOS ONE".

Eine große Herausforderung erneuerbarer Energien ist ihre mittelfristige Speicherung. Einfache, kostengünstige Lösungen sind gefragt, damit zum Beispiel die Solarenergie vom Sommer auch im Winter genutzt werden kann. Dafür wird häufig mithilfe von Solarthermie-Anlagen Wasser erhitzt und dann in großen Becken im Boden gelagert- idealerweise hält so die gespeicherte Wärmeenergie bis in den Winter. Die Becken werden mit Folie ausgekleidet, um sie zu isolieren und damit das Wasser nicht verloren geht. "Wenn man sich die bisher umgesetzten Projekte anschaut, bemerkt man immer wieder dieselben Schwächen", sagt Prof. Dr. Peter Bayer vom Institut für Geowissenschaften und Geographie der MLU. Häufig gehe Wasser und damit Wärme über schadhafte Stellen verloren.

Bayer hat seine Forschung an saisonalen Wärmespeichern vom Institut für neue Energie-Systeme der Technischen Hochschule Ingolstadt nach Halle mitgebracht. Im Rahmen eines von der Volkwagen-Stiftung geförderten Projekts untersuchte sein Team, ob sich die Nachteile durch eine weitere Komponente in der Außenhülle des Wärmespeichers ausgleichen lassen: Paraffin. Den meisten ist es als Kerzenwachs bekannt, es wird aber auch bereits als sogenannter Latentwärmespeicher verwendet. Paraffin schmilzt bereits bei relativ geringen Temperaturen und nimmt dabei Wärme auf, die es beim Erstarren wieder abgibt. Außerdem ist es stark hydrophob, das heißt Wasser perlt daran ab. "Die Idee war, beide Eigenschaften des Materials zu nutzen", sagt Bayer. Als Teil der Außenhülle von Wärmespeichern könnte Paraffin zum einen den Wärmeverlust verringern. Zum anderen könnte es einen Selbstheilungseffekt einbringen: "Wenn ein Riss in der Hülle entsteht, verflüssigt sich das Wachs und schließt so die entstandene Lücke."

Paraffin ist außerdem umweltverträglich. Wenn es aus dem Speicherbecken austritt, habe es keinen toxischen Effekt. Noch dazu sei es kostengünstig im Vergleich zu anderen Latentwärmespeicher-Materialien, so Bayer. In zwei Laborexperimenten hat sein Mitarbeiter Christoph Bott getestet, inwieweit Paraffin den Wärmeverlust verringert und ob sich die Paraffin-Außenhülle wirklich selbst heilt. "Auf den ersten Blick haben die Mechanismen, die wir erwartet haben, sehr gut funktioniert", sagt Bott. Wurde die Außenhülle verletzt, füllte das verflüssigte Wachs die Beschädigung, auch die Wärmespeicherkapazität wurde verbessert. "Es ist allerdings schwierig, das auf eine industrielle Ebene hochzuskalieren", sagt Bayer. Je größer das Becken, desto mehr wird das Paraffin in der Außenhülle durch das Gewicht des Wassers verdrängt. Es bräuchte zusätzliche Strukturen, um es am richtigen Platz zu halten. Insbesondere bei größeren Schäden in der Hülle funktioniert auch der Selbstheilungseffekt nicht mehr. "Bei hohem Druck interessiert das Wasser das Paraffin gar nicht", sagt Bayer. Es fließt dann einfach daran vorbei.

Doch auch wenn die Idee nicht direkt in die Praxis umsetzbar ist, Potential hat sie allemal, ist Bayer überzeugt. "Wir wussten auch davor, dass es schwierig würde, das zu realisieren", sagt er. "Wir haben Paraffin erstmals in dieser völlig neuen Funktion genutzt.". Die Forschung sei aber ein weiterer Baustein hin zu verbesserten Saisonalspeichern und damit effizienteren Speichermöglichkeiten für erneuerbare Energien. Das Projekt wurde von der Volkswagenstiftung im Rahmen des Programms "Experiment!"  gefördert, das innovative aber risikobehaftete Vorhaben unterstützt. 

Über die Studie: Bott, Christoph et al. Paraffin wax as self-sealing insulation material of seasonal sensible heat storage systems - A laboratory study. PLOS ONE (2020). doi: 10.1371/journal.pone.0236056

 

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