Wüstenbaum

2. Theoretische physikalische Grundlagen für die Speicherung von Energie bei der Änderung des Aggregatzustandes

Wärmeenergie kann grundsätzlich in zwei verschiedenen Formen gespeichert werden:

  • Die wohl bekanntere Form ist die Speicherung als "sensible Wärme". Sensible Wärme ist fühlbare Wärme. Das Speichermaterial verändert also tatsächlich seine Temperatur, wenn Wärmeenergie zugeführt wird.
  • Eine andere Form der Energiespeicherung ist die Speicherung von Energie in der Änderung des Aggregatzustandes. Während dieser Änderung bleibt die Temperatur im Speichermedium, dem so genannten PCM (Phase Change Material, zu deutsch Phasen-Wechselmaterial) im Idealfall konstant, obwohl eine beträchtliche Energiemenge eingesetzt, beziehungsweise heraus gelöst wird [1, Seite 2]. Schon die Römer verwendeten das Schmelzen von Wasser bei 0°C zur Kühlung ihrer Lebensmittel und hatten damit quasi den ersten Latentwärmespeicher entdeckt und genutzt [1, Seite 1].
Für den Schmelzvorgang von Wasser wird in etwa so viel Energie benötigt, wie für das Erhitzen desselben von 0°C auf 80°C. Es ist also sofort ersichtlich, wie viel Energie in der Aggregatzustandsänderung gespeichert ist [2, Seite 307]. Man kann sich gut vorstellen welches Potenzial in einem Latentwärmespeicher liegt, der sich diese Aggregatzustandsänderung zu Nutzen macht.
Im Jahr 1940 wurden die ersten Versuche mit Latentwärmespeichern in den USA durchgeführt, um ein Wohnhaus mit Sonnenenergie zu heizen [1, Seite 1]. Auch heute dienen Latentwärmespeicher wie die Punkte 5.4 und 5.5 zeigen werden als Wärmespeicher im Haushalt.
Dadurch, dass Wärme sowohl sensibel, als auch latent gespeichert werden kann, ergibt sich für die Wärmemenge die in einem PCM gespeichert ist folgende rechnerische Zusammensetzung:
  • ohne Aggregatzustandsänderung - sensible Wärme [3, Seite 37]:
    Qsensibel=c*m*deltaT
  • Wärmemenge während der Phasenumwandlung [4, Seite 211]:
    Qsm= s*m
  • mit kompletter Aggregatzustandsänderung:
    Qges=Qsensibel + Qsm
    Qges=c*m*deltaT+s*m
Qges ist die gesamte Wärmemenge die in der betrachteten Temperaturdifferenz detaT, in J bzw. kWh gespeichert ist.
c ist die spezifische Wärmekapazität; in kJ*kg-1*K-1.
m ist die Masse des Speichermaterials; in kg.
deltaT ist die Temperaturdifferenz die genutzt wird; in K.
s ist die spezifische Schmelzenthalpie; in kJ*kg-1.
Bei einem PCM ergibt sich für einen Aufwärmvorgang nach [5] folgender beispielhafter Temperaturverlauf: Q-T-Diagramm des Schmelzvorgangs
Abb1: Temperaturverlauf - im Idealfall - beim Aufheizen eines Latentwärmespeichers (Beim Abkühlen ist der Temperaturverlauf im Idealfall spiegelverkehrt gleich).