Heiße Übertragung – Im Wärmeträgerlabor des Instituts für Future Fuels am DLR-Standort Köln-Porz untersuchen Forschende innovative Materialien, Komponenten und Verfahren, die geeignet sind, thermische Energie bei hohen Temperaturen zu übertragen. Benötigt werden sie zum Beispiel für die Produktion von Energieträgern und ihrer Grundstoffe auf Basis erneuerbarer Energien und leiten in Energiesystemen Wärmeenergie zu den Verbrauchsstellen.
Untersuchung thermischer Stabilität und Alterung
Für die thermische Stabilitätsuntersuchung werden gasdicht verschließbare Druckbehälter wie Ampullen aus Gläsern oder Stählen sowie für größere Tests Stahlautoklaven eingesetzt. Salzschmelzen werden in offenen Tiegeln aus inerten, also chemisch unbeteiligten Materialien wie Aluminiumoxid getestet.
Thermische Alterungsexperimente können im Wärmeträgerlabor für Betriebstemperaturen bis zu 600 Grad Celsius und bei Salzschmelzen sogar bei noch höheren Temperaturen durchgeführt werden.
Die Alterungsexperimente orientieren sich an etablierten Normen wie der DIN 51528, gehen jedoch deutlich über deren Untersuchungsumfang hinaus. Im Gegensatz zu normierten Untersuchungen werden die Alterungsstudien zeitabhängig ausgewertet, um das Alterungsverhalten und die Veränderung der Eigenschaften bei thermischer Belastung im zeitlichen Verlauf bei mehreren Temperaturen zu bestimmen. Die Forschenden können die Daten daher reaktionskinetisch auswerten und das Alterungsverhalten oder die Bildung bestimmter Zersetzungsprodukte auf dieser Grundlage berechnen.
Proben einer Biphenyl-Diphenylether-Mischung
Die Mischungen wurden in einem Laborexperiment bei 410 Grad Celsius zwischen 100 bis 2.000 Stunden thermisch belastet.
Neben zeitgemäßer Analytik für die Standarduntersuchungen wie Gaschromatographie (GC-FID und GC-MS), Messung von Dichte, Viskosität und Wärmekapazität bei Sättigungsdampfdruck stehen spezielle Experimente zur Verfügung. Mit ihrer Hilfe können die anwendungsrelevanten Eigenschaften bis über den vorgesehenen Betriebstemperaturbereich bei praxisrelevanten Drücken und Gasgehalten sowie die Alterung bei den relevanten Materialkontakten untersucht werden. Dies umfasst Dampfdruckmessungen, isobare Dichtemessungen, die isobare Wärmeübertragung und die Untersuchung der Gaslöslichkeit oder der Löslichkeit von Wasser sowie anderer Stoffe in Wärmeträgermedien.
Anwendungen in solarthermischen Kraftwerken
Zusammen mit den Kolleginnen und Kollegen des DLR-Instituts für Werkstoffforschung und des Instituts für Solarforschung untersuchen wir zudem das Korrosionsverhalten von Konstruktionsmaterialien, was vor allem für den Einsatz von Salzschmelzen in solarthermischen Kraftwerken relevant ist. Die Alterung bei definierten Material- und Atmosphärenkontakten kann im Wärmeträgerlabor ebenso untersucht werden wie die physikalischen Eigenschaften bis mindestens 600 Grad Celsius. Für die Analyse der Salzzusammensetzung wird vor allem die Ionenchromatographie eingesetzt, wobei auch das unerwünschte Chromat quantifiziert werden kann. Dieses entsteht bei dem Kontakt oxidierend wirkender Salze mit Chrom-reichen Edelstählen.
Die Freisetzung von Gasen aus Salzschmelzen bestimmen wir mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie. Zur Untersuchung der thermischen Eigenschaften wie Phasenumwandlungsprozesse (Glaspunkte, Schmelz- und Erstarrungsverhalten) oder der Wärmekapazität werden thermogravimetrische und kalorimetrische Methoden eingesetzt.
Im Wärmeträgerlabor sind zudem Experimente zur Untersuchung von Komponenten und zur Entwicklung von Fluidpflegeverfahren möglich. Wir untersuchen dabei auch die Permeation von Wasserstoff durch Stahlrohre und Receiverelemente solarthermischer Receiver sowie das Wasserstoffaufnahmevermögen von sogenannten Gettermaterialien. Weitere Experimente dienen der Qualifizierung von Sensoren und von selektiven Aufbereitungsverfahren.
Das Wärmeträgerlabor und seine Untersuchungsmöglichkeiten werden sowohl zur Entwicklung neuer Fluide, Prozesse und Komponenten in Forschungsprojekten und für Aufträge aus der Industrie genutzt als auch für die Untersuchung von gebrauchten Fluiden und Komponenten. Gebrauchte Proben stammen dabei aus den Alterungsuntersuchungen im Wärmeträgerlabor, Technikumsanlagen wie dem MOPUW am DLR-Standort Köln, Testanlagen von CIEMATs Plataforma Solar de Almería in Spanien sowie weltweit aus solarthermischen Kraftwerken.
