Wüstenbaum

3. Wärmespeicherung mit oder ohne Aggregatzustandsänderung

In den folgenden Abschnitten wird zuerst auf die klassische, nicht latente Wärmespeicherung und dann auf die latente Wärmespeicherung eingegangen, um aufzeigen zu können, wo die Vor- und Nachteile der einzelnen Speichervarianten liegen. Außerdem soll dabei die einzelne Speichertechnik genauer beschrieben werden. Des Weiteren werden anschließend jeweils ein paar Beispiele für geeignete und gängige Speichermaterialien, sowie deren erforderliche Eigenschaften dargestellt.

3.1 Die nicht latente Wärmespeicherung

3.1.1 Physikalische Grundlage

Zur nicht latenten Wärmespeicherung, also zum einfachen Speichern von sensibler Wärme in kapazitiven Speichern, eignen sich vor allem Stoffe mit einer hohen Wärmekapazität c. Die Schmelzenthalpie die bei Latentwärmespeichern genutzt wird kommt hier nicht zum tragen, da keine Aggregatzustandsänderung durchgeführt wird. Für die theoretische Berechnung der in einem Temperaturbereich deltaT gespeicherten Energie ergibt sich wie bereits im zweiten Kapittel zu den Grundlagen eines Latentwärmespeichers erwähnt folgende Formel nach [3, Seite 37]:
Qges=c*m*deltaT
Q ist die Wärmemenge die im Temperaturbereich deltaT gespeichert wurde, in J bzw. kWh.
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.
Gängige nicht latente Speichermedien im Temperaturbereich 0°C< T <100°C sind Wasser mit einer hohen spezifischen Wärmekapazität (4,19 kJ*kg-1*K-1), sowie Holz (2,39 kJ*kg-1*K-1) und Stein(0,8439 kJ*kg-1*K-1)mit geringeren Speicherkapazitäten [6]. Man sollte jedoch beachten, das die Dichten der einzelnen Materialien sehr unterschiedlich sein können und auf das Volumen gesehen Stein zum Beispiel mehr Energie speichern kann als Holz.

3.1.2 Vor und Nachteile der kapazitiven Speicher

Nicht Latentwärmespeicher sind in fast allen Fällen billiger als Latentwärmespeicher. Dies liegt vor allem daran, dass keine speziellen PCMs verwendet werden müssen, sondern beispielsweise auf fast kostenloses Wasser zurückgegriffen werden kann. Nachteil solcher herkömmlichen Speichermaterialien ist, dass sie keine so hohen Energiedichten erzielen können wie sie ein Latentwärmespeicher liefern kann[7, Seite 5]. Außerdem können kapazitive Speicher die speziellen Funktionen von Latentwärmespeichern die später noch zur erläutert werden, nicht oder nur ansatzweise erfüllen.

3.2 Die latente Wärmespeicherung

3.2.1 Latentwärmespeichermaterialien

Bei den meisten Latentwärmespeichermaterialien, also PCMs wird die Phasenänderung fest - flüssig für die Energiespeicherung verwendet. Die Aggregatzustandsänderung flüssig - gasförmig kommt nur bei wenigen Anwendungen zum Einsatz[8]. Ein Anwendungsgebiet ist hier zum Beispiel der Kompressorkühlschrank bei dem ein Kühlmittel im Inneren verdampft und dabei viel Energie dem Kühlschrank entzieht [9].

Die für Latentwärmespeicher geeigneten Speichermaterialien können grundsätzlich in drei Gruppen nach der Schmelztemperatur eingeteilt werden. Nach Krichel [8] dessen Einteilung ich hier beispielhaft vorstellen möchte wird, in

  • den unteren Temperaturbereich von -30 bis 100 °C,
  • den mittleren Temperaturbereich von 100 bis 500°C und
  • den Hochtemperaturbereich mit über 500°C unterschieden.
Zu den wichtigsten Vertretern von Speichermaterialien des
  • unteren Temperaturbereichs gehören Paraffine, Salzhydrate, Klathrate und organische Gemische.
  • Im mittleren Temperaturbereich werden vor allem Hydroxide und Halogenide der leichten Metalle verwendet.
  • Für den Hochtemperaturbereich sind Halogenide, besonders Fluoride der Alkali- und Erdalkalimetalle am besten geeignet.
In allen drei Temperaturbereichen sind auch Gemische der einzelnen Stoffe verwendbar. Grundsätzlich sollte das Speichermaterial möglichst viele der folgenden Ideal- Eigenschaften erfüllen. Je nach Anwendungsgebiet kann die eine, oder andere Eigenschaft an Bedeutung gewinnen oder verlieren:
  1. Hohe spezifische Schmelzenthalpie .Hs (kJ/kg bzw. Mj/m3),
  2. Übereinstimmung von Arbeitstemperatur des Speichers und Schmelztemperatur ts(K),
  3. hohe Dichten Ps und Pl (kg/m3) der festen bzw. flüssigen Phase,
  4. hohe spezifische Wärmekapazitäten cps und cpl (kJ/kg K) der festen bzw. flüssigen Phase,
  5. hohe Wärmeleitfähigkeit .s und .1 (W/m K) der festen bzw. flüssigen Phase,
  6. gutes Kristallisationsverhalten (keine Unterkühlung, keine inkongruent schmelzenden Verbindungen),
  7. geringe relative Volumenänderung .V/V oder Dichteänderung . p/p (z.B. m3/m3 bzw. kg m-3/kg m-3 oder %),
  8. keine Zersetzung oder korrodierende Wirkung,
  9. niedriger Preis und
  10. Ungefährlichkeit.
[nach 8, Seite 4]

3.2.2 Vor- und Nachteile von Latentwärmespeichern

Latentwärmespeicher sind zurzeit im Vergleich zu herkömmlichen Speichern noch relativ teuer, und daher noch nicht so oft im Einsatz. Viele Vorteile ergeben sich aber aus den charakteristischen Eigenschaften eines Latentwärmespeichers. Der Phasenwechsel während welchem Energie hineingesteckt oder herausgelöst werden kann ohne das sich die Temperatur verändert, kann für viele Anwendungen verwendet werden bei denen genau diese konstante Temperatur erwünscht ist. Die hohe Wärmedichte eines Latentwärmespeichers kann zu Platzeinsparungen gegenüber herkömmlichen Speichern führen und somit diese ersetzen. Folgende Grafik zeigt die Wärmekapazität einiger gängiger, nicht latenten Wärmespeichermaterialien gegenüber der Wärmespeicherfähigkeit eines PCMs:
Wärmekapazität verschiedener Materialien
Abb. 2: Wärmespeicherfähigkeit einiger gängiger Wärmespeichermaterialien [10]