Regelbarer Wärmedurchgang durch Druckänderung mittels thermochemischer Reaktion

Kurzfassung

Im Rahmen hochgesteckter Klimaziele wurde in den letzten Jahren eine Vielzahl gesetzlicher Rahmenbedingungen geschaffen um fossile Brennstoffe zur Erzeugung von Elektrizität und Wärme regenerativ zu substituieren. Ferner soll eine Senkung des Primärenergieverbrauches den Ausstoß der klimarelevanten Gase senken. Im Verkehrssektor sollen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren kontinuierlich durch batteriebetriebene Elektrofahrzeuge ersetzt werden. Im Idealfall wird deren elektrische Beladung durch eine regenerative Energiequelle gespeist. Der bisherige Marktanteil batteriebetriebener Elektrofahrzeuge in Deutschland liegt jedoch noch deutlich unter den angedachten Zielen. Grund für die bisherigen Akzeptanzprobleme bei Verbrauchern ist unter anderem die geringere Reichweite, im speziellen bei winterlichen Umgebungstemperaturen [1, p. 14]. Das Betriebsoptimum der verbauten Lithium-Ionen-Batterien liegt zwischen 20 und 40 °C. Bei Temperaturen kleiner 20 °C steigt der Innenwiderstand der Batteriezellen, der zu einem deutlichen Leistungsverlust führt [2, p. 166 ff.]. Temperaturen größer 40 °C entstehen durch die Batterieabwärme bei hoher Leistungsnachfrage und resultieren in Alterungsmechanismen, die die Verwendungszeit der Batterie stark herabsetzen. Um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten, wird die Batterie elektrisch gekühlt oder beheizt, was sich in einer Reduzierung der Reichweite des Fahrzeuges niederschlägt. Im Rahmen des Forschungsprojektes „Next Generation Car“ soll ein energieeffizienteres Thermomanagement der Fahrzeugbatterie entwickelt werden. Übergeordnetes Ziel des Projektes ist ein ganzheitliches Fahrzeugkonzept für das Jahr 2025. Grundkonzept des effizienteren Thermomanagements ist eine regelbare Wärmedämmung der Batterie. Soll ein Wärmeverlust an die Umgebung verhindert werden, wird die Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht herabgesenkt. Für den inversen Fall einer gezielten Wärmeabgabe an die Umgebung wird sie erhöht. Dabei werden Beheizungs- und Kühlungssysteme der Batterie nicht vollständig substituiert, jedoch deren Energienachfrage reduziert. Grundlage der Anwendung ist die sich ändernde Wärmeleitfähigkeit von porösen Isolationsmateralien wie Aerogelen in Abhängigkeit des Gasdrucks. Als Füllgas wird Wasserstoff verwendet, der in einem verbundenen Reaktor zur Druckänderung in einem Metallhydrid ab- oder desorbiert wird. Für den wärmedämmenden Betrieb wird der Wasserstoff im Reaktor absorbiert - der Druck im Isolationspaneel nimmt entsprechend ab. Für die Desorption und den verbundenen wärmeleitenden Betrieb des Isolationspaneels, muss dem Reaktor Wärme zugeführt werden bis sich ein Druck von 100 mbar im Paneel einstellt. Zielvorgabe für den wärmedämmenden Betrieb ist ein Absorptionsdruck von 0,1 mbar. -2- Im Rahmen dieser Arbeit soll die Eignung von Metallhydriden, für die gewünschte thermochemische Reaktion zur Druckänderung, untersucht werden. Aufgrund durchgeführter Recherchen, wurde das Metallhydrid Zirkonium-Nickel (ZrNi) als vielversprechendes Material determiniert. Dementsprechend erfolgt eine Charakterisierung dieses Metallhydrides, um die spezifischen Betriebspunkte, die Wasserstoffbeladung und den zeitlichen Verlauf der Reaktion zu bestimmen. Für diesen Zweck wird ein neuer Versuchsstand aufgebaut und in Betrieb genommen. Im Anschluss an die Charakterisierung soll ein für den Einsatz am Isolationspaneel geeigneter Reaktor angefertigt werden. Die Erprobung des mit Zirkonium-Nickel beladenen Reaktors am Isolationspaneel erfolgt bei einem externen Projektpartner. Ferner werden im Rahmen einer Literaturrecherche weitere geeignete Metallhydridsysteme ermittelt.