Latentwärmespeicher

Zwei regenerierbare Handwärmer; links im flüssigen und rechts im kristallisierten Zustand

Datei:Heating pad in action.ogv Ein Latentwärmespeicher (auch Phasenwechsel- oder PCM-Speicher) ist ein spezieller Typ von Wärmespeicher, der einen Großteil der ihm zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme (z. Bsp. für einen Phasenwechsel von fest zu flüssig) speichert. Die gespeicherte Wärme ist verborgen (lateinisch latere, „verborgen sein“), da, solange die Phasenumwandlung nicht ganz abgeschlossen ist, die Temperatur eines Stoffes trotz Wärmezufuhr nicht weiter ansteigt. Latentwärmespeicher können daher in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel sehr große Wärmemengen speichern und übertreffen dabei Wärmespeicher, die nur die sensible Wärme eines Stoffes nutzen, wie etwa Heißwasserspeicher.

Da viele Stoffe mit unterschiedlichsten Schmelzpunkten als Phasenwechselmaterial (engl. phase change material, PCM) in Frage kommen, können viele Speicheranwendungen vom Kälte- bis zum Hochtemperaturwärmespeicher mit dieser Technik abgedeckt werden. Die bekanntesten kommerziellen Anwendungen sind derzeit aber noch Kühlakkus und Wärmekissen.

Funktionsprinzipien

Datei:Zustandübergänge Wärmekissen.svg

Aggregatzustandübergänge eines Latentwärmespeichers

Latentwärmespeicher funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig und umgekehrt (Erstarren-Schmelzen).

Beim Aufladen des Inhalts kommerzieller Latentwärmespeicher werden meist spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium geschmolzen, die dabei sehr viel Energie (Schmelzwärme) aufnehmen, wie z. B. Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat. Das Entladen findet beim Erstarren statt, wobei das Speichermedium die zuvor aufgenommene große Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt.

Für technische Anwendungen als Latentwärmespeicher ist eine Unterkühlung der Schmelze in der Regel unerwünscht. Daher müssen dem Material geeignete Keimbildner zugesetzt werden, die eine Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur bewirken.

Wärmekissen

In Wärmekissen wird häufig Natriumacetat-Trihydrat verwendet. Es wird bei einer Schmelztemperatur von 58 °C verflüssigt, was meistens durch das Einlegen der Wärmekissen in kochendes Wasser erreicht wird. Beim Erhitzen muss das Kissen andauernd vollständig von Wasser bedeckt sein (Wasserbad), weil sonst lokal besonders heiß werdendes Salz den Beutel schmelzen lässt. Das Material bleibt auch noch bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes – unter Umständen bis −20 °C – als unterkühlte Schmelze in einem metastabilen Zustand flüssig, da das Salz sich in seinem Kristallwasser löst; die Wassermoleküle bilden eine Art eigenes Kristallgitter, das sich zuerst auflöst. Wird nun ein Metallplättchen (ähnlich dem in einem Knackfrosch) im Wärmekissen gedrückt, löst das die Kristallisation aus. Das Kissen erwärmt sich dabei wieder auf die Schmelztemperatur, wobei die vollständige Kristallisation und damit die Freigabe der latenten Wärme sich über eine längere Zeit erstrecken kann.

Als Auslöser für die Kristallisation der übersättigten Lösung kommen in Frage:

• die Druckwelle, die durch das Drücken des Metallplättchens ausgelöst wird,
• die dabei verursachte Freisetzung mikroskopisch kleiner Kristallisationskeime, die sich bei jeder Kristallisation in kleinen Ritzen des Metalls festsetzen.

Ein Problem der Erklärung durch die Druckwelle ist, dass die Kristallisation im Experiment durch Schallwellen, selbst durch Ultraschall, nicht ausgelöst wird.

Andere Salzhydrate können ebenfalls verwendet werden, z. B. Glaubersalz mit einem Schmelzpunkt von 32,5 °C, Natriumhydroxid oder Alaun.

Merkmale

Der Vorteil dieser Wärmespeichertechnik beruht darauf, in einem kleinen, durch die Schmelztemperatur des eingesetzten Speichermaterials festgelegten Temperaturbereich, viel Wärmeenergie in relativ wenig Masse zu speichern. Beim bloßen Erwärmen des Mediums wird dagegen ein größerer Temperaturbereich benötigt, um vergleichbare Wärmemengen zu speichern.

Beim Wärmekissen wird zusätzlich der metastabile Zustand der unterkühlten Lösung genutzt. So kann die Wärme ohne thermische Isolierung und Verluste gespeichert werden.

Beispiele

Wasser

So wird beispielsweise beim Erstarren bzw. Gefrieren von Wasser – dem Phasenübergang vom flüssigen Wasser zum festen Eis bei 0 °C – ungefähr so viel Wärme frei, wie zum Erwärmen derselben Menge Wasser von 0 °C auf 80 °C benötigt wird. Die spezifische Phasenumwandlungsenthalpie ist also im Vergleich zur spezifischen Wärmekapazität relativ hoch (für Wasser: Schmelzenthalpie 334 kJ/kg, spezifische Wärmekapazität ca. 4,19 kJ/(kg·K)), wodurch die Energiedichte erheblich größer ist als bei Warmwasserspeichern. In Kombination mit einer Wärmepumpe ermöglicht ein Wasser-Latentwärmespeicher die Bereitstellung von Wärme zum Verdampfen des Kältemittels, insbesondere während der Heizperiode.

Paraffin

Die nutzbare Wärmemenge hängt von der maximalen und minimalen nutzbaren Arbeitstemperatur ab. Sie besteht aus zwei Komponenten:

• der spezifischen Wärme, multipliziert mit der Temperaturdifferenz
• der Wärmemenge, die bei Phasenübergängen im nutzbaren Temperaturbereich frei wird.

Wasser ist mit einer Schmelztemperatur von 0 °C ungeeignet, weil diese nicht im Arbeitsbereich liegt.

Daher ist man auf Stoffe mit Schmelztemperaturen zwischen 40 °C und 70 °C und mit hoher Schmelzwärme angewiesen. Daher ist Hartparaffin mit einer Schmelztemperatur von etwa 60 °C und einer Schmelzenthalpie zwischen etwa 200 und 240 kJ/kg (Wasser: 333 kJ/kg) gut geeignet. Die Wärmeerzeugung beim Erstarren ist etwa ein Drittel geringer als die von Wasser, dafür liegt sie aber im Nutzbereich.

Metalle

Die latente Wärmespeicherung auf Hochtemperatur-Niveau kann beispielsweise in Metallen realisiert werden. Ein Beispiel für ein metallisches Phasenwechselmaterial (englisch metallic Phase Change Material, mPCM) ist eine Aluminium-Silicium-Legierung mit einer Schmelztemperatur von 577 °C. Da der Bereich der nutzbaren Arbeitstemperatur bei der Hochtemperatur-Speicherung größer ist, kann mehr thermische Energie im sensiblen Bereich gespeichert werden. Aber auch die spezifische Schmelzenthalpie ist bei diesem Material mit hoher Schmelztemperatur größer als bei Wasser oder Paraffinen (Aluminium-Silicium: 560 kJ/kg).

Chemische Wärmespeicher

Einem ähnlichen Prinzip folgt die Ausnutzung der Enthalpie reversibler chemischer Reaktionen, so zum Beispiel von auf Chemisorption beruhenden Absorptions- und Desorptionsprozessen. Das geschieht in sogenannten thermochemischen Wärmespeichern, die eine noch höhere Energiedichte ermöglichen.

Anwendungen

Moderne Latentwärmespeichermaterialien auf Salz- oder Paraffinbasis haben für verschiedene Anwendungen entwickelte physikalische Eigenschaften und sind für nahezu alle Temperaturbereiche erhältlich. Sie finden Einsatz in Warmhalteplatten für die Gastronomie oder auch in der Heizungs- und Baustoffindustrie als wärmepuffernde Baustoffe.

Auch in der Fahrzeugtechnik kommen Latentwärmespeicher auf Salz- oder Paraffinbasis zum Einsatz, um beispielsweise überschüssige Motorwärme zu speichern und diese beim Kaltstart freizusetzen. Aktuell werden darüber hinaus Speichersysteme auf Basis von metallischen Phasenwechselmaterialien (mPCM) für die Anwendung in Elektrofahrzeugen entwickelt. Speichersysteme mit hohen Energiedichten bei gleichzeitig herausragendem thermischem Leistungspotential sollen zukünftig die Heizleistung in Elektrofahrzeugen übernehmen. Hierdurch müsste die zum Heizen benötigte Energie nicht aus der Traktionsbatterie entnommen werden, was notwendige Batteriekapazitäten reduzieren könnte bzw. die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter erhöhen würde.

Phase change materials (PCM) finden zudem Anwendung in Funktionstextilien. Diese können dadurch die Körper- oder Umgebungswärme aufnehmen, speichern und wieder abgeben. Damit ermöglichen sie das Abpuffern der Temperatur eines „Wohlfühlbereiches“ nach unten wie oben.

Bei Einsatz von Latentwärmespeichern zur Solarwärmespeicherung der Heizenergie für den Winter sind die Investitionen zwar höher, das System spart gegenüber der Nutzung von Wassertanks oder Kies jedoch deutlich Platz und kann wegen der Ausnutzung der Latentwärme gleichmäßiger Wärme abgeben als diese.

Ein Rechenbeispiel soll die Größenordnungen verdeutlichen. Zur Beheizung eines gut gedämmten Hauses mit einem Energiebedarf von 100 kWh/(m²·a) und 89 m² Wohnfläche werden 890 Liter Heizöl oder 890 m³ Erdgas benötigt (siehe den Artikel „Heizwert“). Das entspricht einem Jahres-Wärmebedarf von 32 GJ. Um diese Wärmemenge im Sommer durch Solarabsorber zu erzeugen, werden bei angenommenen 100 Sonnentagen und einem Ertrag von 4 kWh/(m²·d) etwa 23 m² Solarabsorberfläche nötig. Um die durch Solarabsorber im Sommer erzeugte Wärmemenge von 32 GJ für den Winter in Form von Latentwärme zu speichern, werden ca. 200 m³ Paraffin in einem Tank benötigt. Im Jahre 2008 sind einzelne, mit Paraffin gefüllte Kleinbehälter in einem Wassertank üblich. Die 200 m³ entsprechen einem Rundtank mit 8 Meter Höhe und einem Durchmesser von gut 5,6 Meter. Mit den in einen solchen Tank passenden ca. 200 m³ Heizöl könnte das gleiche Haus allerdings 225 Jahre lang beheizt werden.

In der Abfallverwertungsanlage Augsburg wird seit Januar 2013 im Rahmen eines Modellprojektes ein Teil der bei der Verbrennung entstehenden Abwärme in Containern mit Natriumacetat gespeichert. Diese werden dann mit dem LKW ins nahe Friedberg transportiert, wo die Wärme zur Beheizung eines Schulzentrums verwendet wird.

Die Anwendungen im Bauwesen sind zwischenzeitlich sehr vielfältig, beispielsweise in Raumumfassungen. Sie wirken thermisch passiv oder mit wasserdurchflossenen Kunststoff-Kapillarrohrmatten bestückt als thermisch aktive Speicherplatten. Die zeitlichen Leistungsverläufe dieser Speicherplatten können als Einzelelemente betrachtet (z. B. Fußbodenheizungen, Wandheizungen, Kühldecken) sehr detailliert mit numerisch arbeitenden Simulationsmodellen bestimmt werden. Sollen die Speicherplatten zusammen mit dem wärmetechnisch angekoppelten Raum untersucht werden, dann ist eine komplexe Nachbildung mit dem Simulationsmodell zweckmäßig.

Ein neuartiges Fassadenelement („Solarwand“) speichert in vier Zentimetern Dicke so viel Wärme wie eine 30 cm dicke Ziegelwand. Tagsüber wird Wärme eingespeichert und das Element hält die Temperatur konstant auf der Schmelztemperatur des PCM, 27 °C. Eine Isolierverglasung hält den größten Teil der Wärme „unter Glas“. Im Sommer verhindert eine Prismenscheibe, dass Sonnenlicht aus einem Winkel über 40° absorbiert wird.

Patente

• Patent US2114396: Heating pad. Veröffentlicht am 19. April 1938, Erfinder: Roland Lyman McFarlan, Neck Marblehead, John Bowles.‌
• Patent US2118586A: Thermophoric composition. Veröffentlicht am 24. Mai 1938, Erfinder: John Bowles, Roland Lyman McFarlan (C09K5/06).‌
• Patent DE2917192A1: Mehrfach verwendbares Wärmekissen. Veröffentlicht am 6. November 1980, Erfinder: Gustaf Arrhenius (A61 F7/03, C09K5/06).‌

Literatur

• Kapitel 10.5: Latente thermische Energiespeicher. In: M. Sterner, I. Stadler (Hrsg.): Energiespeicher – Bedarf, Technologie, Integration, Springer-Vieweg, 2. Auflage 2017, ISBN 978-3-662-48892-8, S. 598–610; in erster Auflage des Buches S. 553–565
• Kapitel 9.2.2 Latentwärmespeicher. In: M. Schmidt: Auf dem Weg zum Nullemissionsgebäude, Springer-Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-1746-4, S. 321
• Kapitel 4.4.2. Latente Wärmespeicher. In: Wärmespeicher, 5. überarbeitete Auflage, ISBN 978-3-8167-8366-4, S. 47–48
• Kapitel 3.2.2. Latent Heat Storage. In: Solar Energy Storage, Elsevier Academic Press, 2015, ISBN 978-0-12-409540-3, S. 32–35
• Latentwärmespeicher. In: H. Weik: Expert Praxislexikon: Sonnenenergie und solare Techniken, 2. überarbeitete Auflage von 2006, expert Verlag, ISBN 978-3-8169-2538-5, S. 176–177
• Johannes Goeke: Thermische Energiespeicher in der Gebäudetechnik. 1. Aufl. Springer Vieweg, 2021, ISBN 978-3-658-34509-9.
• Harald Mehling, Luisa Cabeza: Heat and cold storage with PCM, An up to date introduction into basics and applications. Springer, Berlin 2008, ISBN 978-3540685562.

Weblinks

Commons: Wärmekissen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Latentwärmespeicher in Gebäuden (BINE Informationsdienst)
• Phasenübergang speichert Wärme (BINE Informationsdienst)
• Gütegemeinschaft Phase Change Material (PCM) e. V.
• Wärme aus der Wand (Die Zeit, 3. Dezember 2009)
• Zukunftsmärkte/Anwendungen für innovative Wärme- und Kälte-Speicher mit Phasen-Wechselmaterialien (PCM) zur Verbesserung der Energieeffizienz in ausgewählten Branchen. (Memento vom 31. Januar 2012 im Internet Archive) (2007)