Latentspeicher

Kristallspeicher (Latentspeicher)
Gliederung
-Einleitung
-Anforderungen an Kristallspeicher
-Verschiedene Arten und Speichermaterialien
-Probleme im Einsatz von Kristallspeichern
-Modellversuch
-Erklärung des Funktionsprinzips
-Verschiedene Anwendungsbereiche
Einleitung in das Thema
Durch den steigenden Anteil regenerativer Energien an der
Energieversorgung nimmt auch der Bedarf an leistungsfähigen
Wärmespeichern immer mehr zu. Zugleich steigt die Nachfrage nach
Speichern mit hoher Energiedichte, welche kleinere Bauvolumina
ermöglichen. Herkömmliche sensible Schichtspeicher für Warmwasser
eignen sich hierfür nicht oder nur sehr bedingt. Die Technologie der
Latenten (lat. lateo:versteckt verborgen) thermischen Speicher
(PCM:phase
change material), wie sie in
Einfachen Handwärmern eingesetzt wird, soll nun auch in größeren
Hochleistungsspeichern Einzug halten. Ein wesentlicher Vorteil
hierbei: eine bis zu dreimal höhere volumetrische Energiedichte.
Im Vergleich zu dem „sensiblen“ Speichermedium Wasser kann ein PCM bei nur
geringer Temperaturänderung in einem bestimmten (höheren) Temperaturbereich
wesentlich größere Wärmemengen aufnehmen. Das PCM 72 von Merck nimmt
beispielsweise im Temperaturbereich zwischen 70°C und 80°C viermal mehr
Wärme auf als Wasser und sogar zehnmal mehr als Steine oder Ziegel.
Allerdings gilt dies nur für den genannten Temperaturbereich, denn am
Gefrierpunkt beispielsweise ist das Wasser das bessere PCM. Es ist also nicht
jeder Stoff in jedem Temperaturbereich als PCM geeignet bzw. anwendbar. Je
nach Anwendungsgebiet muss demnach das PCM auch auf die speziell
herrschenden Temperaturen und Anwendungen abgestimmt werden. Zudem gibt
es weitere Anforderungen, die von einem Material erfüllt werden müssen, damit
es als wirksames PCM eingesetzt werden kann.
Anforderungen an das PCM (phase change material

Das PCM muss den jeweilige Anwendung passenden Schmelzpunkt haben.

Das PCM sollte eine möglichst große spezifische Schmelzwärme besitzen.

Das PCM sollte eine möglichst große spezifische Wärmekapazität besitzen.

Das PCM sollte Wärme gut leiten (schnell aufnehmen und schnell abgeben).

Das PCM sollte beim Phasenübergang sein Volumen, bzw. seine Dichte möglichst wenig ändern.

Das PCM muss sowohl chemisch als auch physikalisch im Wärmeübertragungsprozess stabil bleiben.

Es sollte umweltverträglich und ungiftig sein.
Arten von PCMs

Eutektische Wasser-Salz-Lösungen

Organische PCMs

Salzhydrate
Organische PCMs
Paraffine (langkettige Kohlenwasserstoffe) zählen zur Gruppe der organischen PCMs. Bei dieser Art
gibt es nur sehr wenige technische Probleme, da Paraffine nur auf einem einzigen Stoff basieren, der
sich auch nicht separieren kann. Somit ist die wichtige Voraussetzung der Zyklenstabilität
gewährleistet. Auch von der chemischen Seite her betrachtet, sind Paraffine gut geeignet, da sie
weder toxisch noch besonders reaktionsfreudig sind. Ebenso findet auch keine Korrosion an
Metallen statt. Allerdings weisen Paraffine auch einige Nachteile auf. Da sie nur sehr niedrige
Schmelzenthalpien von 200 kJ/kg bei Dichten zwischen 0,7 bis 0,9 kg/L aufweisen, liegt die
volumenspezifische Schmelzenthalpie unter 200kJ/l. Der Anwendungsbereich beschränkt sich somit
auf eher geringe Wärmemengen.
Andere Zuckeralkohole erreichen größere Energiedichten. Deren Schmelzpunkte liegen bei
Temperaturen, die höher sind als der Siedepunkt des Wassers, also sehr interessant für die Technik.
Solche PCMs können dann in Bereichen eingesetzt werden, bei denen größere Wärmemengen
aufgenommen werden müssen.
Erythritol
Salzhydrate
Für einen Temperaturbereich zwischen 0°C und 130°C werden die Salzhydrate den Paraffinen und Salz-WasserLösungen vorgezogen. Ihre Schmelzenthalpien unterscheiden sich zwar nur geringfügig von denen der Paraffine,
jedoch besitzen sie höhere Dichten (1,4 bis 1,6 kg/l). Deshalb vergrößert sich auch die Energiedichte.
Die bekanntesten und auch kostengünstigsten Salzhydrate sind in folgender Tabelle aufgeführt:
Salzhydrat
Schmelztemperatur
CaCl2•6H2O
27°C
Na2SO4•10H2O
Natriumsulfat Heptahydrat
32°C
Na2HPO4•12H2O
Natriummonohydrogenphosphat
35°C
Na2S2O3•5H2O
Natriumthiosulfat-Pentahydrat
48°C
NaCH3COO•3H2O
Natriumacetat-Trihydrat
58°C
Mg(NO3)2•6H2O/Li(NO3)*
Magnesiumnitrat-Hexahydrat
72°C
Ba(OH)2•8H2O
78°C
Calciumchlorid-Hexahydrat
Bariumhydroxid
Probleme im Einsatz von PCMs
Bis auf das mit * markierte Salzhydrat in Tabelle 1 haben alle dort aufgelisteten Stoffe einen entscheidenden
Nachteil: sie schmelzen inkongruent und die Schmelzprodukte trennen sich auf Grund der verschiedenen Dichte
räumlich voneinander. Eine Verfestigung der Substanzen vollzieht sich meist nur unvollständig.
Am Beispiel von CaCl2•6H2O soll das Phänomen in einer Graphik verdeutlicht werden.
Modellversuch am beispiel von Natriumacetat Trihydrat
Benötigt wird:
- Weithals-Erlernmeyerkolben (500ml) oder Becherglas
- 50ml wasser
-Thermometer
-500g Natriumacetat-Trihydrat CH3COONa · 3 H2O.
-Wattebausch
-Kochplatte
In einen 500 ml Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser geben und ein Thermometer hineinstellen. Dann
500g frisches (!), sonst bildet sich Hydratwasser, CH3COONa•3H2O (Xi) zugeben und den Kolben
mit einem dicken Wattebausch verschließen. Das Salz-Wasser-Gemisch kurz aufkochen, wenn alles
Salz gelöst ist, die Lösung auf 20°C abkühlen lassen. Dabei darf das Glas nicht angestoßen werden,
somit bleibt der metastabile Zustand erhalten.
Sobald es abgekühlt ist das Salz-wasser-Gemisch „Anstoßen“ und Beobachten was passiert.
Gegebenenfalls ein Temperatur-Zeit-Diagramm erstellen!
Die Erklärung
Auch die Latentwärmespeicherkissen enthalten Natriumacetat-Trihydrat CH3COONa · 3 H2O.
Dieses liegt im "geladenen Zustand" in einer übersättigten Lösung vor. Bei vorsichtiger
Handhabung bleibt die Kristallisation des Salzes über einen weiten Temperaturbereich aus.
Man kann den Zustand tagelang erhalten. Erst durch "Anstoßen" wird der Zustand gestört; das
Natriumacetat-Trihydrat kristallisiert schlagartig aus und gibt die im System gespeicherte
Wärme ("latente Wärme") frei. Diesen scheintoten Zustand nennt man "metastabil".
Die Ionen bauen zunächst das Ionengitter auf. Simultan nehmen Wassermoleküle in den
Zwischenräumen des Ionengitters festgelegte Plätze ein, wobei sie auch noch ihre Dipole exakt
ausrichten. Die Wassermoleküle bilden sozusagen ein Gitter im Kristallgitter. Die Anzahl der
Wassermoleküle pro Formeleinheit ist genau definiert. In unserem Beispiel sind es drei.
Anwendungsbereiche und Zukunft
Automobil

Das PCM 72 findet schon heute in einem Latentwärmespeicher im BMW der 5er Reihe (als
Sonderausstattung) seine Verwendung. Das Funktionsprinzip ist folgendermaßen:
Der Latentwärmespeicher ist in den Kühlwasserkreislauf eingebunden und wird mit der Abwärme des
Motors beladen, wenn dieser auf Betriebstemperatur ist. Beim nächsten Kaltstart steht die gespeicherte
Wärme zum schnellen Aufheizen des Motors (reduziert den Benzinverbrauch) und der Fahrgastzelle
(Komfort & Sicherheit) zu Verfügung. Eine ausreichend gute Isolierung des Speichers gewährleistet die
Speicherung der Wärme über zwei Tage hinweg – sogar bei einer Außentemperatur von –20°C – und
einer kurzen Fahrstrecke zum Supermarkt.
Baumaterialien
Die Temperatur in Häusern soll sowohl im Sommer, als auch im Winter angenehm reguliert sein. Die mittlerweile
etablierte Leichtbauweise erfordert allerdings Maßnahmen, um das gleiche Resultat zu erzielen wie in Massiv gebauten
Häusern. Deshalb hat man PCMs in Baumaterialien eingelassen, so dass diese die gleichen Eigenschaften, wie
massive Wände aufweisen. Durch Sonneneinstrahlung werden die PCMs „geladen“ und sie geben diese Wärme wieder
ab, sobald die Temperaturen in der Nacht fallen. So kann auf eine zusätzliche Klimatisierung meistens ganz verzichtet
werden .
Fußbodenheizung
Rubitherm® hat mit dem PCM GR 40 ein völlig neues Speichersystem erschaffen. Durch die Nutzung der
Schmelzwärme des Paraffins (mikroverkapselt) kann man bis zu 50% der Schichtdicke des Estrichs einsparen. Zudem
sorgt das Paraffin für eine höhere Temperaturkonstanz im Fußboden und schützt somit auch vor einer Überhitzung im
Registerbereich, bzw. an der Fußbodenoberfläche. Durch den dünnen Aufbau ist es nun auch für den nachträglichen
Einsatz in älteren Häusern einsetzbar. Durch die trockene Verarbeitung entfällt auch die sonst übliche Trocknungszeit
des Estrichs von 6-8 Wochen.
Heizung und Warmwasser
Da die Sonnenstrahlung nicht immer für Solaranlagen zur Verfügung steht,
muss die „Überschussproduktion“ an Wärme für Heizung oder Warmwasser
zwischengespeichert werden. Normalerweise kommen hier Wasserspeicher
zum Einsatz, jedoch bieten Latentwärmespeicher ein geringeres Volumen
sowie einen höheren Wirkungsgrad wegen der geringeren
Temperaturdifferenz zwischen Be- und Entladung des Speichers.
Gastronomie
(Speisen Warmhalten)
Weil elektrische Heizsysteme nicht immer eingesetzt werden können, bieten
sich auch hier Heizelemente auf PCM-Basis an. Der Schmelzpunkt des PCM ist
auf die Temperatur definiert, auf der die Speisen gehalten werden sollen.
Optimal sind 80-90°C, da das Essen heiß bleibt aber nicht mehr weitergekocht
wird.
Elektronik
Elektronische Bauteile sind empfindlich gegen Überhitzung, was letztlich die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit dieser
beeinträchtigt. Bislang wurden Wärmeleitbleche in Verbindung mit Lüftern zur Kühlung verwendet. Eine Vielzahl von
Teilen, die ebenfalls ausfallen können. Der Ersatz durch PCMs dagegen verspricht Zuverlässigkeit, weil weder Motoren
noch Temperaturfühler gebraucht werden. Zwischen den Wärmepeaks kann sich das Speichersystem durch Abgabe der
Wärme über Kühlrippen entladen. Diese Art der Kühlung ist zudem wesentlich kleiner dimensioniert, als die herkömmlichen
Kühlsysteme. Auch hier gebt es jedoch Anwendungsgrenzen. Bei Hochleistungsrechnern, die rund um die Uhr im Einsatz
sind, gibt es keine Erholungsphasen, in denen die Wärme abgegeben werden kann. Das PCM würde ständig beladen
werden, ohne dass es sich anschließend entladen kann.
Textilien
Mikroverkapselte PCM´s werden direkt in Gewebe eingebracht, die zur Herstellung von
Funktionsbekleidungen verwendet werden. Diese Bekleidung ist in der Lage überschüssige Körperwärme
aufzunehmen und diese bei kälteren Umgebungstemperaturen wieder abzugeben. Inzwischen setzen
bereits viele Firmen das Latentspeichergewebe der Firma Outlast Technologies, Inc. ein. Die Produktpalette
der latentwärmespeicherhaltigen Textilien reicht von Oberbekleidung über Westen, Unterwäsche, Socken,
Schuhe bis hin zu Bettwäsche.
Danke für eure Aufmerksamkeit
Fragen?