EcoMag HSM
Heat-Storing-Material

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ZIM-Kooperationsprojekt "MagnesiaHSM" - Förderkennzeichen: ZF 4093501HF5. Gefördert durch: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie
 

Forschungs-, Entwicklungs- und Kooperations-Projekt

Ziel des mittlerweile erfolgreich beendeten Forschungs- und Kooperationsprojektes war die Entwicklung eines praxistauglichen, exotherm aushärtenden Wärmespeichermaterials, das insbesondere auf dem für diese Anwendung neuartigen Rohstoff Magnesiumhydroxid basiert. Das Material soll sich dadurch auszeichnen, dass es aufgrund der überlegenen Wärmespeicherfunktion, deren Dauerhaftigkeit und des flexiblen Herstellungsverfahrens in vielfältigen Anwendungen eingesetzt werden kann. Im Rahmen des Projektes wurde zunächst der Einsatz in Kaminöfen untersucht werden. Um dieses Ziel zu erreichen, mussten im Rahmen dieses Vorhabens u.a. folgende Entwicklungsschwerpunkte erfolgreich umgesetzt werden:
 

• Entwicklung von Analyseverfahren für reale Rahmen- und Betriebsbedingungen

• Entwicklung von Mess- und Evaluierungsverfahren zur Kennwertbestimmung

• Entwicklung von geeigneten Rohstoff- und Material-Zusammensetzungen

• Entwicklung der Reaktionsparameter für das Wärmespeichermaterial

• Entwicklung thermodynamischer & kinetischer Reaktionsprozesse

• Entwicklung eines ökobilanzierten Herstellungsverfahrens

• Entwicklung des man./ind. Verarbeitungsprozesses
 

  ARGE K33.AI

Die ARGE K33.AI war verantwortlich für die Analyse und Bewertung geeigneter Rohstoffe, die Entwicklung und Durchführung der Materialanalyse sowie die Konzeption und Evaluierung der Prozessparameter des Herstellungsverfahrens.

Darüber hinaus sollten weitere Marktsegmente angesprochen werden, zu denen ARGE K33.AI über das bereits bestehende Portfolio Zugang hat. Hierzu zählen vor allem Nachtspeicheröfen und Solarthermieheizungen.

Der Markt für Nachtspeicheröfen hat ein Umsatzvolumen von 3.1 Mrd. €. In Nachtspeicheröfen (Radiatoren) werden derzeit ca. 2.5 Mio. Tonnen Schamott pro Jahr verbaut. Beim Einsatz von EcoMag HSM in Nachtspeicheröfen könnten pro Jahr 3.75 Mio. Tonnen CO2 eingespart werden.

Der mittlerweile stark rückläufige Solarspeichermarkt (jährlicher Rückgang um 20 % europaweit) könnte bei Verwendung des neuen Materials in effizienteren Solarthermieanlagen wiederbelebt und sogar um ein Drittel gesteigert werden. Damit ließe sich die stetig sinkende Zahl von Arbeitsplätzen nicht nur stabilisieren, sondern es könnten mittelfristig auch in Deutschland wieder neue Arbeitsplätze hinzukommen...
 

Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP war im Wesentlichen verantwortlich für die Durchführung und Entwicklung einer neuartigen Wärmespeichergussform und der Mess- und Analyseverfahren für reale Rahmen-, Einsatz- und Betriebsbedingungen.

Projektkoordinator:

Dr.-Ing. Mohammad Aleysa
Fachgebiet Verbrennungssysteme

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Nobelstr. 12 | 70569 Stuttgart | Germany

Telefon: +49 711 970-3455 | Telefax: +49 711 970-3385
mohammad.aleysa@ibp.fraunhofer.de
http://www.ibp.fraunhofer.de  |  http://www.pruefstellen.ibp.fraunhofer.de

 

 

Der Lösungansatz für ein effektives, preisgünstiges und ökologisches Wärmespeichermaterial ist primär auf das Interesse der privaten Haushalte abgestimmt.

Hauptbestandteil von EcoMagHSM ist Magnesiumhydroxid (chemische Formel Mg(OH)2 - siehe auch: EcoMag Patent & Marke). Magnesiumhydroxid (Brucit) ist ein natürlich vorkommendes, kristallines Mineral. Das im Magnesiumhydroxid enthaltene Kristallwasser (bis zu 33%) sorgt für eine hohe spezifische Wärmekapazität. Aufgrund des hohen Magnesia-Anteils ist die Wärmeleitfähigkeit bereits in der Anheizphase (20°C) deutlich höher als bei Schamott, dann stagniert sie bzw. fällt sogar unter das Ursprungsniveau. Dies bewirkt ein schnelles Aufheizen des Wärmespeichers und eine länger anhaltende Wärmeabgabe als bei Schamott und anderen Wärmespeichermaterialien. Magnesiumhydroxid ist temperaturbeständig und wird häufig als Rohstoff in Brandschutzmaterialien verwendet, findet aber auch Einsatz in vielen Lebensmitteln und Medikamenten. Es ist EU-weit verfügbar und kann auch günstig mit Überlast-Windstrom aus Meerwasser gewonnen werden. Der Ertrag liegt bei durchschnittlich 1 kg Mg(OH)2 aus 1 Kubikmeter Meerwasser.
 

EcoMagHSM ist ein ökologischer Schamottersatz und bietet: 

  • Ein preisgünstiges, schadstoff- und emissionsfreies Produkt Green Materials

  • Energiesparende und emissionsarme Technologie inkl. CO2- und Wasser-Einsparung

  • Stärkung/Gewinnoptimierung kleiner und mittlerer Unternehmen (MicroSME/SME)


Aufgrund der bereits genannten Vorteile ermöglicht das Material sowohl die Anwendung in wärmespeichernden Systemmodulen als auch in der Feuerstätte selbst. EcoMagHSM Speichersteine können auch im Feuerraum eingesetzt werden, wenn der Temperaturbereich von 600°C - 900°C nicht langfristig überschritten wird, z.B. als Prallplatte mit/ohne Zyklonen :
 

 

Der direkte Vergleich der Länge der Entladephase von EcoMagHSM und den Original-Speichermodulen aus Schamott und Speckstein, zeigt eine um i.M. 30 % verlängerte Entladephase bei identischen Versuchsparametern. Das neue ökologische Speichermaterial hat gegenüber Schamott - und auch Speckstein - weitere Vorteile :

 

  • 30 - 50% höhere Wärmekapazität und dazu passende Wärmeleitfähigkeit***

  • mind. 30% effizienter als Schamott und Speckstein (zu schnelle Entladung)

  • mind. 30% Ersparnis bei Material, Gewicht, Transportkosten, allg. Kosten,...

 


 

*** Spezifische Wärmekapazität in Abhängigkeit der Probentemperatur : Ergebnisse der untersuchten Mischungen und Ausgangsstoffe sowie einer Probe aus Schamotte (HBO+). Die Messergebnisse zeigen auch, daß Schamotte erst über 100°C Wärme in nennenswerter Menge aufnehmen. EcoMagHSM speichert bereits ab 20°C und mit einem Plus von über 50% deutlich effizienter.
 


 

*** Neben der Wärmekapazität spielt für die Anwendung von EcoMag als Speicherstein die Wärmeleitfähigkeit eine wichtige Rolle. Je höher die Wärmeleitfähigkeit ist, desto schneller kann die Wärme eingespeichert und wieder abgerufen werden. Die Wärmeleitfähigkeiten der EcoMag-Mischungen liegen zwischen dem Wert der Schamott-Probe von 0,5 W/(m·K) und dem EcoMag-Höchstwert von 2,1 W/(m·K). Dementsprechend lässt sich ein sehr weiter Bereich der Wärmeleitfähigkeit über unterschiedliche Rezepturen einstellen. Allein über die Menge des Anmachwassers lassen sich w/z-Wert, Druckfestigkeit, Rohdichte, Porosität, Wärmeleitzahl und spezifische Wärmekapazität einstellen.
 


 

*** Eine Erhöhung der Rohdichte/Masse bei Schamott brachte in allen Versuchsreihen bei Schamott praktisch keinen Vorteil, weil Schamotte generell in der Wärmeaufnahme zu träge und unflexibel (Strömungsgeschwindigkeiten) sind, d.h. der Gewichtsvorteil (bis zu 60% je nach Rezeptur) von EcoMagHSM auch gegenüber extrem schweren Schamotten ist erheblich, da EcoMagHSM anders als Speckstein/Schamott ein ideal ausgewogenes Verhältnis von Wärmekapazität und dazu passender Wärmeleitfähigkeit besitzt. EcoMagHSM übertrifft bei identischer Masse die Wärmespeicherung von Schamott um ca. 20-30%...
 

Alle Schamotte (gemessen wurden z.B. die Qualitäten HBO+, HSM, HST) sind bereits ohne Ausgleich des deutlich höheren Schamott-Gewichts um 15-19% schlechter in der Wärmespeicherung. Rohdichte bzw. Gewicht von Schamotten liegen dabei 10-60% über den EcoMagHSM-Werten, d.h. es lassen sich mit EcoMagHSM zugleich 10-60% Gewicht einsparen.

*** Die dargestellten Temperaturen zeigen, daß EcoMagHSM mehr Wärme speichert. Die Oberflächen-Temperatur von EcoMagHSM steigt in der Anheizphase aufgrund der höheren Wärmekapazität langsamer, weil mehr Wärme nach innen in das deutlich grössere Wärmereservoir geleitet wird. Damit puffert EcoMagHSM die Überschusswärme während der gesamten Heizphase und strahlt sie zeitverzögert und deutlich länger ab, als alle untersuchten Schamotte. EcoMagHSM reagiert auch deutlich flexibler in Bezug auf die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit :

 

Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s auf 1 m/s wirkt sich negativ auf den Schamott-Probekörper-HBO+ (linke Grafik) aus. Die integrierte Fläche der Aufheizphase des EcoMag-Probekörpers-HSM79A, in Relation und unter identischen Rahmenbedingungen, ist in diesem Versuch um 53 % größer. Daraus kann abgeleitet werden, dass das EcoMag-Speichermaterial-HSM79A deutlich flexibler in Bezug auf die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit reagiert, was speziell beim Einsatz als Speicherstein im Bereich von Holzfeuerungen als sehr positiv zu bewerten ist.
 

Die Messergebnisse zeigen auch, daß Schamotte erst über 100°C Wärme in nennenswerter Menge aufnehmen. EcoMagHSM speichert bereits ab 20°C deutlich mehr überschüssige Wärme. Es entzieht dem Warmluft-/Abgasstrom also deutlich mehr Wärme als Vergleichsprobekörper aus Schamotte und könnte damit auch bei kleinen Öfen zu einer deutlichen Senkung der Abgastemperatur und verbesserter Speicherung genutzt werden. Da das Material flexibel auf Temperaturwechsel und unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten reagiert, wird auch das Raumklima (Behaglichkeit) positiv beeinflusst da Temperaturspitzen (z.B. Anheizphase) ausgeglichen werden können.


Und...



 

Zusammenfassung

Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungen (Fraunhofer Gesellschaft IBP) und Staat (Umweltministerium) können hier durch Aufklärung unterstützen :

Das ZIM-Projekt "MagnesiaHSM ein ökologischer Schamottersatz" wurde erfolgreich abgeschlossen. Die optimierte EcoMag-Rezeptur speichert Wärme dauerhaft und effizienter als alle geprüften Schamottmischungen. EcoMagHSM kann auch bei weniger umweltbewussten Verbrauchern aufgrund Beständigkeit, günstiger Anschaffung und kurzer Amortisation eine hohe Nachfrage erzeugen. Aufgrund der Analysen durch das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP konnte das Material in mehr als 100 Testreihen hinsichtlich Verarbeitung und Eigenschaften optimiert werden. Die empirischen Versuche zur spezifischen Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Rohdichte, Druckfestigkeit, etc. konnten verifiziert werden. Mit Hilfe der durchgeführten Untersuchungen konnten die im Labor bestimmten Materialeigenschaften der Speichersteine aus EcoMag auch im Praxisbetrieb bestätigt werden. Für die EcoMag-Speichersteine konnte im Rahmen der durchgeführten Aufheiz- und Entladeversuche, welche maßgeblich das Verhalten der Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit der spezifischen Wärmekapazität eines Materials abbilden, eine unter den eingestellten definierten Untersuchungsparametern relative, um 20 % - 30 % effizientere Wärmespeicherung, als bei den untersuchten Speichersteinen aus Schamott festgestellt werden.

Die im Projekt eingesetzten Probekörper, Speichersteine sowie die Platten für die Feuerraumauskleidung wurden im Rahmen des Projekts über mehrere Monate untersucht und haben dementsprechend viele Anheiz- und Entladezyklen erfahren. Die Gesamtheit der EcoMag-Prüfkörper war im Anschluss an die Untersuchungen in einem voll funktionsfähigem Zustand. Somit kann durch die im Rahmen dieses Projekts gesammelten Erfahrungen eine positive Aussage in Bezug auf die Beständigkeit der eingesetzten EcoMag Speicher- und Feuerfeststeine, im dafür vorgesehenen Temperaturanwendungsbereich, getroffen werden.

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP | Abschlussbericht MagnesiaHSM-EcoMag | ZF4109001HF5


 

Das ZIM Forschungs- und Kooperations-Projekt wurde am 1.Mai 2017 erfolgreich beendet. Unser Dank gilt dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und der AiF Projekt GmbH für die administrative und finanzielle Unterstützung dieses Forschungsprojekts. Ein besonderer Dank geht an Frau Christiane Wodtke für Ihre persönliche Unterstützung und an Herrn Maik Hoffmann für die kompetente Projektbegleitung als Fachgutachter.

Danken möchten wir auch den Firmen Wodtke GmbH, Angerer GmbH, Schiwietz GmbH, Harbeck GmbH, Brunner GmbH, Haas+Sohn GmbH, Bichlmaier+Bartl GmbH, Viking D.O.O und der Lehmann+Voss+Co.KG für Ihre fachliche Unterstützung bei der Umsetzung. Ferner gilt unser Dank natürlich allen Mitarbeitern der Fraunhofer Gesellschaft in München, Valley und Stuttgart | Koordination Dr.-Ing. Mohammad Aleysa.
 

Aktuell (09-2017) wurde die Produktion handelsüblicher Steine im NF-Format mittels EXTRUDER evaluiert. Dazu wurde eine Strangpresse Baujahr 1970 mit einfachsten Mitteln angepasst. Mit dem sehr schlichten Versuchsaufbau konnten handwerklich bereits 60 Steine/Stunde hergestellt werden - das ruppige Design erklärt sich von selbst.

EcoMag Produktion mittels Extruder/Strangpresse Video 

 

Es geht auch anders...

 

Die abschliessende Optimierung der Rezeptur bezüglich w/z-Wert, Binderverbrauch, Festigkeit, Verdichtungs-, Ausbreit- und Setzmaß führte zu einer sowohl handwerklich als auch industriell verarbeitbaren Mischung. Diese wird im Laufe der nächsten Monate industriell produziert und unter dem mittlerweile eingetragenen Markennamen EcoMag® (siehe auch Patent/Marke beim Deutschen Patent- und Markenamt DPMA) angeboten. Für weitere Informationen, z.B. zur Lizensierung, wenden Sie sich bitte direkt an:

 

EcoMag   
GmbH

Südring 2 - 85457 Wörth - Germany


Kontakt:

Info@EcoMag.tech
 

Unsere Produkte sind ausschließlich zur Verwendung bei beruflichen, gewerblichen oder selbstständigen Tätigkeiten bestimmt. Wir beliefern daher nur Unternehmen aus Industrie, Handel, Handwerk und Gewerbe, Behörden, öffentliche Institutionen, sowie Freiberufler und keine Verbraucher (nach § 13 vs. 14 BGB). Durch die Bestellung erklärt der Käufer ausdrücklich, daß er in Ausübung seiner gewerblichen oder selbstständigen beruflichen Tätigkeit handelt.

 

 

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