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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:
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Ein preisgünstiges, schadstoff- und emissionsfreies Produkt
“Green
Material”
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Energiesparende und emissionsarme Technologie inkl. CO2- und
Wasser-Einsparung
-
Stärkung/Gewinnoptimierung kleiner und mittlerer Unternehmen
(MicroSMEs und SMEs)
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 :
Das Fraunhofer Institut IBP plant diesen
innovativen Einbau in weiteren Projekten zu untersuchen und
weiterzuentwickeln - Abschlussbericht: Fachagentur Nachwachsende
Rohstoffe e.V. FNR - Einbautentechnik - FKZ 13 NR 104
- https://international.fnr.de/
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 :
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30 - 50% höhere
Wärmekapazität und dazu passende Wärmeleitfähigkeit***
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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 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 30-50% 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 hier 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 Temperatur und 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, die sonst über den Kamin verloren
gehen würden.
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 30 % - 50 % effizientere Wärmespeicherung, als bei den untersuchten
Speichersteinen aus Schamott festgestellt werden.
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Bei der
Verwendung von Einbauteilen aus EcoMagHSM werden schätzungsweise
70% weniger Ruß und Feinstaub
freigesetzt.
Das Fraunhofer
Institut IBP plant diesen innovativen Einbau mit den günstigen
technischen Ausführungen in weiteren Projekten zu untersuchen und
weiterzuentwickeln, s. Abschlussbericht: Fachagentur Nachwachsende
Rohstoffe e.V. FNR - Einbautentechnik - FKZ 13 NR 104
- https://international.fnr.de/
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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 EcoMagHSM Speicher- und Feuerfeststeine, im
dafür vorgesehenen Temperaturanwendungsbereich, getroffen werden.
Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
| Abschlussbericht MagnesiaHSM-EcoMag | ZF4109001HF5
Fazit
Holzöfen sind traditionell mit
Schamottspeichern ausgestattet, die schlechte Werte bezüglich Lebenszyklus
(zweimaliges Sintern / Verbrennen = hoher CO2-Fußabdruck) aufweisen und
als Wärmespeicher sehr ineffizient ist (geringe Wärmekapazität und
Wärmeleitfähigkeit, beide mindestens 30% weniger als EcoMagHSM).
Wenn stattdessen EcoMagHSM eingesetzt wird,
werden die Emissionen reduziert, die thermische Effizienz erhöht und der
Anwendungsbereich von Einzelraumheizung auf Zentralheizung (z. B. Holzöfen
mit Wärmetauschern und angeschlossenen Strahlungsheizkörpern) erweitert.
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.
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ARGE K33.AI
