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M. Jakobi:
"Entwicklung eines thermochemischen Wärmespeichers auf Basis von Salzhydraten zur Verwendung in Kraftfahrzeugen";
Supervisor, Reviewer: P. Hofmann, A. Werner; TU Wien | Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik, 2015; oral examination: 2015-03-25.

Conventional internal combustion engines have high waste heat losses during operation. Driven by an increasing focus on fuel efficiency, the use of these excess thermal energy has attracted significant interest in automotive engineering in recent years. Thermal energy storage systems offer a faster increase in both engine and operating liquid temperatures or provide the necessary activation energy for exhaust aftertreatment systems. Systems based on sensible and latent heat storage technologies are already sufficiently mature for industrial use, however thermochemical storage systems that offer a higher energy density - and therefore a higher application potential - are still in an early stage of development.
As a part of this work, a test storage for such a system was developed and executed. Lt is based on the sorption process using selected salt hydrates, calcium chloride and sodium sulphide, and stores thermal energy from the cooling circuit for release during the next cold start procedure. To avoid the freezing problem in cold conditions the test bench works with alcohol as a reaction partner. First research results demonstrate that the usage of waste heat by chemical reactions based on salts is generally conceivable in automotive applications. lt was found that the energy density of the measurements amounts to only one-fifth of the theoretical values. To further improve the capability of the heat storage, examinations are performed which emphasize the application of a carrier material to form a composite with the salt hydrate. This enhances the sorption process and leads to faster and more effective heat release. In addition to the heat transfer, the str'uctural stability of the embedded salt is also improved. Various materials such as metals and inorganic substances based on silicon oxide are reviewed and evaluated. Subsequently, with the experience from the preliminary investigations a prototype storage in a reduced scale was developed. In contrast to the test bench, the energy and the power density increases. The outcome of the investigations provides a promising basis for further considerations.

Konventionelle Verbrennungsmotoren weisen hohe Abwärmeverluste während des Betriebs auf. In Hinblick auf die Gesamteffizienz von Fahrzeugen, ist die Nutzung dieser überschüssigen thermischen Energie in den vergangenen Jahren für die Automobilindustrie besonders interessant geworden. Der Einsatz von Wärmespeichersystemen ermöglicht eine Verkürzung der Aufheizphase von Motorstruktur und Betriebsflüssigkeiten oder stellt die für die Abgasnachbehandlung notwendige Aktivierungsenergie bereit. Neben sensiblen und latenten Technologien zur Wärmespeicherung, die bereits in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt werden, sind chemische Speichersysteme, die eine höhere Energiedichte aufweisen und somit ein größeres Potenzial bei der Verwendung im Fahrzeug erwarten lassen, noch in einer frühen Entwicklungsphase.
Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst ein Testspeicher entworfen und aufgebaut, mit dem die grundsätzliche Funktionsweise eines solchen Systems überprüft wird. Im Fokus stehen dabei Sorptionsprozesse auf Basis von Salzhydraten, im Speziellen Calciumchlorid und Natriumsulfid, die die Abwärme des Kühlkreislaufs während des Betriebs einspeichern. In der nächsten Kaltstartphase wird der Speicher entladen und die thermische Energie gewinnbringend genutzt. Um die Gefrierproblematik von Wasser zu umgehen, und somit die Einsatzfähigkeit des Systems bei tiefen Temperaturen zu gewährleisten, arbeitet der Testspeicher mit Alkohol als Reaktionspartner. Erste Untersuchungsergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Sorptionsspeichern auf Salzbasis im Fahrzeug durchaus denkbar ist. Die Energiedichte blieb während den Messungen jedoch etwa um Faktor 5 hinter den theoretischen Werten. Um die Leistungsfähigkeit des Wärmespeichers zu verbessern, werden in weiterführenden Untersuchungen Trägermaterialien fokussiert, die mit dem Salzhydrat ein Komposit bilden. Dies optimiert den Sorptionsprozess, führt zu einer schnelleren sowie effektiveren Wärmefreisetzung und erhöht zudem die Stabilität des in der Struktur eingelagerten Salzes. Aus den gewonnenen Erkenntnissen folgt die Entwicklung eines Prototyps in verkleinertem Maßstab. Gegenüber dem Testspeicher können Energie- sowie Leistungsdichte deutlich gesteigert werden, die Ergebnisse gelten als vielversprechende Basis für weitere
Betrachtungen.