Poröse Nichtoxidkeramiken für thermische Energiespeicheranwendungen

Abstract

Aufgrund des steigenden globalen Energieverbrauches und damit einhergehender Probleme des Klimawandels wird zunehmend auf erneuerbare Energiequellen gesetzt. Bei diesen muss jedoch eine fluktuierende Verfügbarkeit berücksichtigt werden, wodurch das Thema Energiespeicherung immer mehr Beachtung findet. Im Bereich von thermischen Energiespeichern kommen Phasenwechselmaterialien als Latentwärmespeicher zum Einsatz. Nachteil vieler dieser Phasenwechselmaterialien ist deren geringe Wärmeleitfähigkeit, was eine langsame Wärmespeicherung und -freisetzung bedingt. Bei Einsatz dieser Speicher bei hohen Temperaturen muss auch auf eine ausreichend hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit für die Behältnisse der Phasenwechselmaterialien geachtet werden.Ziel dieser Arbeit ist es, poröse Keramikkörper herzustellen und diese anschließend mit Phasenwechselmaterialien zu infiltrieren. Als keramisches Material wurde wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit sowie thermischen und chemischen Beständigkeit Aluminiumnitrid gewählt. Mittels Gefrierguss wurden Proben mit definierter Porenstruktur erzeugt. Diese wurden durch Dichtebestimmungen, Licht- und Elektronenmikroskopie sowie Röntgendiffraktometrie charakterisiert. Außerdem wurden Permeabilitätsprüfungen, Druckfestigkeitsbestimmungen und Wärmeleitfähigkeitsmessungen durchgeführt. Das Benetzungsverhalten von Metallen (potenzielle Phasenwechselmaterialien) wurde durch Kontaktwinkelmessungen untersucht. Eine Infiltration mit Laurinsäure als Phasenwechselmaterial wurde durchgeführt und der erhaltene Latentwärmespeicher mittels dynamischer Differenzkalorimetrie charakterisiert.Es gelang, Aluminiumnitrid-Proben mit definierter Porenstruktur in Abhängigkeit des verwendeten Suspensionsmittels herzustellen. Die ermittelte Porosität lag im Bereich von 53 – 62 %. Proben aus wässrigen Schlickern mit einer Feststoffbeladung von 30 vol% zeigten Permeabilitätskonstanten von k1 = 2,93∙10-12 m2 und k2 = 1,05∙10-5 m sowie Druckfestigkeiten von rund 49 MPa (53 % Gesamtporosität). Die Wärmeleitfähigkeit betrug bis zu 23,6 W/m∙K (55 % Gesamtporosität) und war aufgrund der Porenstruktur richtungsabhängig. Die untersuchten Metalle zeigten alle ein nicht benetzendes Verhalten auf Aluminiumnitrid. Daher konnte keine spontane Infiltration einer Metallschmelze durchgeführt werden. Weiters gelang es, 100 % der zugänglichen Porosität mit Laurinsäure zu infiltrieren. Mittels DSC-Messung wurde für einen hergestellten Latentwärmespeicher mit einer massenbezogenen Beladung an Laurinsäure von 23% eine Schmelzenthalpie von 36,5 J/g bestimmt.Poröse, durch Gefrierguss hergestellte Aluminiumnitrid-Keramiken stellen eine passende Gerüstsubstanz mit hoher Wärmeleitfähigkeit für die Verwendung als Latentwärmespeicher dar. Zur Ausnutzung aller Vorteile von Aluminiumnitrid-Keramiken ist in weiterer Folge die druckunterstützte Infiltration von Metallschmelzen für den Einsatz bei hohen Temperaturen sinnvoll.

Because of increasing global energy consumption and corresponding problems concerning climate change there is more and more focus on renewable energy sources. However, a fluctuating availability must be considered for these. Thus, energy storage gains increasing importance. In the field of thermal energy storage, phase change materials are used as latent heat storage devices. However, low thermal conductivity of these phase change materials is a disadvantage and leads to slow storage respectively release of the energy. When these storage devices are used at elevated temperatures, high thermal and corrosion resistance of the containers is required.The aim of this thesis is the manufacturing of porous ceramics and the following infiltration with phase change materials. Because of its high thermal conductivity and also thermal and chemical stability, aluminium nitride was chosen as ceramic material. Via freeze-casting, porous samples with defined pore structure were produced. These were characterised by measuring density, light- and electron microscopy and x-ray diffraction. Furthermore, permeability, compression strength and thermal conductivity were measured. The wetting behaviour of metals (as potential phase change materials) was analysed through contact angle measurements. An infiltration with lauric acid was performed and the so made latent heat storage device was characterized by differential scanning calorimetry.Aluminium nitride samples with defined pore structure depending on the used solvent could be manufactured successfully. The determined porosity was between 53 % and 62 %. Samples produced from aqueous slurries with a solid content of 30 vol% showed permeability constants of k1 = 2.93∙10-12 m2 und k2 = 1.05∙10-5 m and compressive strength values of 49 MPa (53 % total porosity). The measured thermal conductivity was up to 23.6 W/m∙K (55 % total porosity) and showed a dependence on direction because of the pore structure. The analyzed metals showed all non-wetting behavior with aluminium nitride. Therefore, a spontaneous infiltration with metal melts was not possible. However, 100 % of the open porosity of the samples could be infiltrated successfully with lauric acid. Via DSC-measurements, a latent heat of fusion of 36.5 J/g was obtained for a produced latent heat storage material with a gravimetric loading of lauric acid of 23 %.Freeze-casting derived porous aluminium nitride ceramics are suitable scaffolds with high thermal conductivity for the use as latent heat storage devices. For the exploitation of all advantages of aluminium nitride ceramics, a pressure infiltration of metal melts for the application at elevated temperatures is required.