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Latentwärmespeicher

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Akronym: PCM = phase change material

Definition: ein Wärmespeicher, der latente anstelle von fühlbarer Wärme speichert

Englisch: latent heat storage

Kategorien: Haustechnik, Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 11.12.2012; letzte Änderung: 21.02.2016

Die meisten Wärmespeicher speichern fühlbare Wärme: Bei Zufuhr von Wärme erhöht sich die Temperatur des Wärmespeichermediums. Anders ist dies bei Latentwärmespeichern: Sie verwenden ein spezielles Speichermedium (ein Phasenwechselmaterial), welches latente Wärme aufnehmen kann: Die in Form von Wärme zugeführte Energie führt nicht zu einer Temperaturänderung, sondern bewirkt stattdessen eine Phasenumwandlung. Erst wenn das gesamte Medium diese Phasenumwandlung durchlaufen hat, der Speicher also voll ist, steigt die Temperatur an.

Beim Entladen des Latentwärmespeichers erfolgt die Phasenumwandlung in umgekehrter Richtung, wobei wiederum die Temperatur gleich bleibt, bis der Speicher ganz entladen ist. Es gibt allerdings Fälle, in denen die Temperatur beim Entladen zunächst unter die beim Laden abfällt. Auch die Temperatur des Mediums (z. B. Wasser), mit dem die Wärme zugeführt oder abgeführt wird, kann z. B. wegen Temperaturgradienten in einem Wärmeübertrager etwas von der Arbeitstemperatur des Speichers abweichen.

Die Arbeitstemperatur eines Latentwärmespeichers ist festgelegt durch die Art des verwendeten Phasenwechselmaterials und lässt sich im Betrieb in der Regel nicht beeinflussen.

Eine Wärmekapazität in Einheiten von J/K (Joule pro Kelvin) lässt sich bei Latentwärmespeichern nicht angeben, da sich die Temperatur beim Laden oder Entladen ja nicht ändert. Stattdessen gibt man einfach die Wärmemenge an, die gespeichert werden kann.

Der Vergleich der Speicherkapazität eines Latentwärmespeichers mit der eines Speichers für fühlbare Wärme hängt davon ab, in welchem Temperaturbereich gearbeitet wird. Wenn z. B. eine Wärmequelle einen Wasserspeicher nur auf eine Temperatur von 35 °C aufheizen könnte, wäre die damit nutzbare Kapazität relativ gering. Ein Latentwärmespeicher mit einer Phasenwechseltemperatur von unter 35 °C dagegen könnte voll ausgenutzt werden. Wenn dagegen ein breiter Temperaturbereich der Wärmequelle nutzbar ist, bietet ein Latentwärmespeicher nicht unbedingt einen großen Vorteil. Deswegen dürften Latentwärmespeicher zukünftig häufig in Verbindung mit Wärmepumpen eingesetzt werden, weniger jedoch für einfache Pufferspeicher.

Beispiele für Latentwärmespeicher

Es gibt Latentwärmespeicher auf der Basis von Wasser, welches bei 0 °C einfriert. Der verwendete Phasenübergang ist also das Gefrieren bzw. Schmelzen. Solche Speicher werden als Eisspeicher bezeichnet. Sie sind z. B. geeignet als große Wärmereservoirs für Wärmepumpen. Sie werden im Freien aufgestellt, z. B. als eine Zisterne in den Boden eingelassen, und benötigen keine Wärmedämmung.

Für Phasenwechseltemperaturen nahe der Raumtemperatur sind manche organische Substanzen wie z. B. Paraffine geeignet. Es gibt beispielsweise Baumaterialien, die Paraffin in kleinen Kunststoffkapseln enthalten. Das Paraffin schmilzt z. B. bei 23 °C. Solche Materialien nehmen, wenn ein Raum z. B. durch Sonneneinstrahlung erwärmt wird und 23 °C erreicht, viel Wärme auf, wirkt also der weiteren Erwärmung entgegen, bis alles Paraffin geschmolzen ist. Wenn der Raum z. B. nachts wieder abgekühlt wird, wird dieselbe Wärmemenge wieder freigegeben. Der Einbau solcher Baumaterialien kann z. B. zur Stabilisierung der Temperatur in ausgebauten Dachgeschossen nützlich sein, die nur wenig Speichermasse enthalten, weil Wände und Böden aus leichten Materialien wie Holz oder Gipsplatten bestehen.

Paraffine können auch in mikroverkapselter Form mit Wasser Emulsionen bilden. Man erhält so PCM-Fluide, die eine deutlich höhere Energiedichte als Wasser aufweisen und deswegen als potente Wärmespeicher und Wärmeübertrager dienen können. Es gibt bereits Anwendungen insbesondere im Bereich der industriellen Kälte, und auch für die Übertragung von Fernwärme könnten PCM-Fluide Vorteile bieten. Ihre Phasenwechseltemperaturen können in einem weiten Bereich an verschiedene Anwendungen angepasst werden.

Höhere Phasenwechseltemperaturen von z. B. ca. 60 °C sind möglich mit anorganischen Materialien wie Salzhydraten, beispielsweise mit Glaubersalz oder Natriumacetat. Auch hier erfolgt bei der Aufladung des Speichers eine Verflüssigung. Allerdings handelt es sich nicht um einen Schmelzvorgang, sondern um ein Auflösen im eingelagerten Kristallwasser. Die erzielbaren Energiedichten sind relativ hoch. Eine mögliche Anwendung sind mobile Wärmespeicher, die z. B. mit Abwärme von einem Kraftwerk aufgeladen werden, mit einem Lkw zu einem Verbraucher gefahren und dort entladen werden.

Sehr hohe Arbeitstemperaturen (viele hundert Grad Celsius) sind mit Salzen möglich, die bei Wärmezufuhr geschmolzen werden. So können z. B. Stunden- oder Tagesspeicher für thermische Solarkraftwerke gebaut werden. Sie können überschüssige Wärme bei starker Sonneneinstrahlung aufnehmen und eine Fortsetzung der Stromerzeugung bei Bewölkung oder am Abend für eine bestimmte Zeit ermöglichen.

Siehe auch: latente Wärme, Wärmespeicher, Eisspeicher, solarthermisches Kraftwerk
sowie andere Artikel in den Kategorien Haustechnik, Wärme und Kälte

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