Latentwärmespeicher

Grundidee und Funktionsweise

Ein Latentwärmespeicher, auch Phasenwechsel- oder PCM-Speicher (phase change material), ist ein Wärmespeicher, der thermische Energie überwiegend als Umwandlungsenthalpie speichert. Diese Energie wird bei einer Zustandsänderung eines Stoffes aufgenommen oder abgegeben, meist beim Schmelzen von fest zu flüssig und beim Erstarren von flüssig zu fest.

Solange der Phasenwechsel noch nicht vollständig abgeschlossen ist, steigt die Temperatur trotz Wärmezufuhr nicht weiter an. Deshalb kann ein Latentwärmespeicher in einem kleinen Temperaturbereich um seine Schmelztemperatur große Wärmemengen speichern. Er kann damit Speichern überlegen sein, die nur die Temperatur eines Stoffes erhöhen, etwa Heißwasserspeichern. Je nach Schmelzpunkt des verwendeten Materials sind Anwendungen von Kältespeichern bis zu Hochtemperatur-Wärmespeichern möglich.

Beim Aufladen werden meist Salze oder Paraffine geschmolzen. Sie sollen möglichst viel Schmelzenthalpie aufnehmen und dabei wenig Platz beanspruchen. Beim Entladen erstarrt das Material und gibt die aufgenommene Wärme als Kristallisationsenthalpie an die Umgebung ab. Auch Verdampfen und Kondensieren könnten Latentwärme nutzen. Weil ein Gas jedoch viel Volumen benötigt, ist die Energiedichte dabei für kommerzielle Anwendungen zu gering.

Eine Unterkühlung der Schmelze ist bei technischen Speichern meist unerwünscht. Daher werden geeignete Keimbildner zugesetzt. Sie ermöglichen die Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur.

Wärmekissen und Unterkühlung

Regenerierbare Wärmekissen enthalten häufig Natriumacetat-Trihydrat. Es wird bei 58 °C flüssig; meist legt man das Kissen dazu in kochendes Wasser. Dabei muss es ständig vollständig von Wasser bedeckt sein, da lokal besonders heiß werdendes Salz den Beutel schmelzen lassen kann.

Das Material kann trotz deutlich niedrigerer Temperaturen, unter Umständen bis −20 °C, als unterkühlte Schmelze flüssig bleiben. Dieser metastabile Zustand entsteht, weil sich das Salz in seinem Kristallwasser löst und die Wassermoleküle zunächst ein eigenes Kristallgitter bilden. Wird das Metallplättchen im Kissen gedrückt, beginnt die Kristallisation. Dabei wird Wärme frei; diese Rekaleszenz erwärmt das Kissen höchstens bis zur Schmelztemperatur von 58 °C. Solange danach noch Flüssigkeit vorhanden ist, kann sie ohne Wärmeabfuhr nicht weiter kristallisieren.

Als Auslöser kommen die durch das Drücken erzeugte Druckwelle oder mikroskopisch kleine Kristallisationskeime in Ritzen des Metallplättchens in Betracht. Gegen die Erklärung allein durch eine Druckwelle spricht, dass Schallwellen und selbst Ultraschall die Kristallisation im Experiment nicht auslösen. Andere mögliche Salzhydrate sind Glaubersalz mit einem Schmelzpunkt von 32,5 °C, Natriumhydroxid und Alaun.

Der Kristallisationsverzug erlaubt es, einen großen Teil der Wärme auch ohne Wärmedämmung zu speichern. Beim Abkühlen gehen zwar Wärmeverluste verloren, sie betreffen aber nur die isobare Wärmekapazität der Flüssigkeit. Beim Erstarren wird ein Teil der Kristallisationsenthalpie zum Erwärmen der noch unterkühlten Flüssigkeit verwendet. Wie bei Eiswasser handelt es sich während des Schmelzens oder Erstarrens um eine isotherme Zustandsänderung: Solange beide Phasen vorhanden sind, hält die Umwandlung die Temperatur an der Schmelztemperatur.

Für flüssiges Natriumacetat-Trihydrat beträgt die spezifische Wärmekapazität etwa 4,88 kJ/(kg K), für die kristalline Phase etwa 2,57 kJ/(kg K). Beim Unterkühlen der Flüssigkeit von 58 °C auf 20 °C sinkt die innere Energie nach ΔU = CP*ΔT um rund 97,66 kJ. Zum Schmelzen von 1 kg Feststoff sind jedoch etwa 226 kJ erforderlich. Die beim Unterkühlen nicht an die Umgebung abgegebene Differenz bleibt daher als Energie im metastabilen Zustand.

Speichermaterialien und Temperaturbereiche

Wasser ist ein anschauliches Beispiel: Beim Gefrieren bei 0 °C wird ungefähr so viel Wärme frei, wie nötig wäre, dieselbe Wassermenge von 0 °C auf 80 °C zu erwärmen. Seine Schmelzenthalpie beträgt 334 kJ/kg, seine spezifische Wärmekapazität etwa 4,19 kJ/(kg·K). Dadurch ist die Energiedichte größer als bei Warmwasserspeichern. Zusammen mit einer Wärmepumpe kann ein Wasser-Latentwärmespeicher während der Heizperiode Wärme zum Verdampfen des Kältemittels bereitstellen.

Paraffine eignen sich für Temperaturen über 0 °C. Je nach Sorte schmelzen sie zwischen 40 °C und 70 °C und besitzen eine hohe Schmelzenthalpie. Hartparaffin schmilzt bei etwa 60 °C und hat eine Schmelzenthalpie von etwa 200 bis 240 kJ/kg; zum Vergleich werden für Wasser 333 kJ/kg genannt.

Für Hochtemperaturanwendungen können Metalle eingesetzt werden. Eine Aluminium-Silicium-Legierung als metallisches PCM (mPCM) schmilzt bei 577 °C und besitzt eine spezifische Schmelzenthalpie von 560 kJ/kg. Wegen des größeren nutzbaren Arbeitstemperaturbereichs kann zusätzlich mehr Wärme im sensiblen, also temperaturerhöhenden Bereich gespeichert werden.

Sehr große Speicher können unterirdisch in natürlichen Salzstrukturen angelegt werden. Wegen der hohen Schmelztemperatur von Salz eignen sie sich zur Rückverstromung nach dem Prinzip einer Carnot-Batterie. Thermochemische Wärmespeicher nutzen statt eines Phasenwechsels die Enthalpie reversibler chemischer Reaktionen, etwa bei chemisorptionsbasierten Absorptions- und Desorptionsprozessen. Sie können eine noch höhere Energiedichte erreichen.

Einsatzgebiete und Größenordnungen

PCM auf Salz- oder Paraffinbasis sind für nahezu alle Temperaturbereiche erhältlich. Sie werden beispielsweise in Warmhalteplatten der Gastronomie, als wärmespeichernde Baustoffe, in Heizungssystemen und in Kühldeckenelementen eingesetzt. Kühldecken sind an einen Wasserkühlkreislauf angeschlossen und entziehen dem Raum über Strahlungsaustausch Wärme. PCM in der Decke ermöglicht dabei die Nutzung regenerativer Kälte.

In Fahrzeugen speichern Salz- oder Paraffinspeicher überschüssige Motorwärme und geben sie beim Kaltstart ab. Für Elektrofahrzeuge werden mPCM-Speicher entwickelt. Sie sollen Heizleistung bereitstellen, ohne Energie aus der Traktionsbatterie zu entnehmen; dadurch könnten notwendige Batteriekapazitäten sinken oder Winterreichweiten steigen. PCM in Funktionstextilien kann Körper- oder Umgebungswärme aufnehmen, speichern und abgeben und damit einen Wohlfühlbereich nach oben und unten abpuffern.

Als Saisonalspeicher für Solarwärme benötigen Latentwärmespeicher höhere Investitionen als Wasser- oder Kiesbehälter, sparen aber Platz und können Wärme gleichmäßiger abgeben. Für ein gut gedämmtes Haus mit 100 kWh/(m²·a) Energiebedarf und 89 m² Wohnfläche nennt das Rechenbeispiel einen Jahres-Wärmebedarf von 32 GJ, entsprechend 890 Litern Heizöl oder 890 m³ Erdgas. Bei 100 Sonnentagen und 4 kWh/(m²·d) Ertrag wären etwa 23 m² Solarabsorberfläche nötig. Für die Speicherung von 32 GJ als Latentwärme würden etwa 200 m³ Paraffin benötigt, entsprechend einem Rundtank von 8 m Höhe und gut 5,6 m Durchmesser. Dieselben 200 m³ als Heizöl könnten das Haus dagegen 225 Jahre beheizen.

Seit Januar 2013 speichert die Abfallverwertungsanlage Augsburg in einem Modellprojekt Abwärme in Natriumacetat-Containern. Diese werden per LKW nach Friedberg transportiert und heizen dort ein Schulzentrum. Seit 2019 entsteht im Landkreis Landsberg am Lech und Umgebung ein Wärmecluster: Mobile Latentwärmespeicher transportieren bisher ungenutzte Abwärme zwischen Quellen wie Biogas- oder Abfallverbrennungsanlagen und Senken wie Wärmenetzen, Gebäuden oder Schwimmbädern.

Im Bauwesen wirken PCM in Raumumfassungen passiv oder, mit wasserdurchflossenen Kunststoff-Kapillarrohrmatten, als thermisch aktive Speicherplatten. Ein Fassadenelement namens „Solarwand“ speichert bei 4 cm Dicke so viel Wärme wie eine 30 cm dicke Ziegelwand. Es hält die Temperatur tagsüber auf der PCM-Schmelztemperatur von 27 °C; eine Isolierverglasung hält Wärme zurück, und im Sommer verhindert eine Prismenscheibe die Absorption von Sonnenlicht aus einem Winkel über 40°.