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

Salzhydrat Schmelztemperatur

CaCl2•6H

2O

Calciumchlorid-Hexahydrat 27°C

Na2SO

4•10H

2O

Natriumsulfat Heptahydrat 32°C

Na2HPO

4•12H

2O

Natriummonohydrogenphosphat 35°C

Na2S

2O

3•5H

2O

Natriumthiosulfat-Pentahydrat 48°C

NaCH3COO•3H

2O

Natriumacetat-Trihydrat 58°C

Mg(NO3)

2•6H

2O/Li(NO

3)*

Magnesiumnitrat-Hexahydrat 72°C

Ba(OH)2•8H

2O

Bariumhydroxid 78°C

SalzhydrateFür einen Temperaturbereich zwischen 0°C und 130°C werden die Salzhydrate den Paraffinen und Salz-Wasser-

Lösungen 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:

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•6H

2O 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. Dann500g frisches (!), sonst bildet sich Hydratwasser, CH

3COONa•3H

2O (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 ErklärungAuch 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.

BaumaterialienDie 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

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