Sie Grundlage für Latentwärmespeicher sind Phasenwechselmaterialien ([phase change material] PCM - Latentwärmematerial), die zur Wärme- und Kältespeicherung und zur Begrenzung von Temperaturspitzen (Überhitzungsschutz) eingesetzt werden. Durch die Nutzung des Phasenwechsels (fest-flüssig oder flüssig-fest) verfügt das Material über ein hohes Speichervolumen, da die Wärmekapazität um ein vielfaches höher ist als herkömmliche Materialien bzw. Medien.
Eine typische Eigenschaft von PCM ist die hohe Speicherdichte bei geringer Temperaturdifferenz. In Gebäuden lassen sich durch den Einsatz von PCM-Systemen
• Temperaturen puffern (z. B. in dynamisch wärmebelasteten Räumen eine passive Kühlwirkung erzeugen)
• die Anlagenfunktionen von Heiz-/Kühlsystemen verbessern
• Wirkungsgrade von konventionellen Heiz-/Kühlsystemen verbessern
• Lastspitzen verschieben bzw. glätten.
Die
PCM's werden aus
Salzen (z.B. Glaubersalz, Natriumacetat) oder
organischen Verbindungen (z.B.
Paraffine, Fettsäuren) hergestellt.
Die thermische Energie kann bei einer festgelegten Temperatur zeitversetzt entnommen werden. Dadurch ergeben sich viele verschiedene Einsatzmöglichkeiten:
- Speicher zur Raumklimatisierung
- Speicher zur Spitzenlastverringerung
- Pufferspeicher für Solar-, Festbrennstoff- und Wärmepumpentechnik bzw. Heizungstechnik
- Warmluftspeicher
- Fassadendämmung
- Wärmetransport
- Verpackungen (Menütransporte)
- Speicher für medizinische Anwendungen - Transportkühlung
- in der Kleidung zur Pufferung der Körpertemperatur
- Temperaturpufferung an elektrischen Bauteilen
Latentwärmespeicher haben die Eigenschaft, zusätzlich zur sensiblen Wärme (fühlbare Wärme) auch latente Wärme (aufgenommene oder abgegebene Wärme) zu speichern (und abzugeben), die durch die Wärmekapazität im Phasenwechsel des Speichermaterials (Wasser, wässrige Salzlösung, Parafin, Salzhydrat) bestimmt wird.
• Wasser ist der bekannteste Stoff für Latentwärmespeicherung, bei dem der
Phasenwechsel von
fest auf
flüssig bei
0°C erfolgt.Mit der
Wärme, die notwendig ist um 1 kg Eis zu
schmelzen, kann anschließend die gleiche Menge
Wasser auf 80 °C
erhitzt werden.
• Paraffin schmilzt z. B. bei
55 °C. Die "
Wärmeparaffine" (Bereich von 20 - 90 °C) haben eine
spezifische Wärmekapazität von ca. 2,1 kJ/(kg·K) und
Wasser von 4,185 kJ/(kg·K). Trotzdem kann das Parafin, wenn die
latente Phase eintritt, deutlich
mehr Wärme speichern und das in einem nutzbaren
Temperaturniveau.
• Bei den
Salzhydrate ist der
Phasenwechsel ein
chemischer Vorgang, also
kein rein
physikalischer Vorgang. Obwohl die
Schmelztemperaturen von Salzhydraten etwa im gleichen Bereich wie die der
Paraffine liegen, ist die
Wärme, die
aufgenommen und wieder
abgegeben werden kann, deutlich
größer.
• Wässrigen Salzlösungen (Lithium- oder Calciumchlorid) werden in
Adsorptions- bzw. Absorptionsspeicher eingesetzt. Bei der
Klimatisierung von
Gebäuden
wird die
Zuluft mit konzentrierter Salzlösung entfeuchtet. Die trockene
Luft wird im
Zuluftsystem gezielt wieder befeuchtet und kühlt durch die
Verdunstungskälte ab. Die bei dem Prozess verdünnte Salzlösung kann
durch
Wärmezufuhr – beispielsweise aus Solaranlagen – wieder
aufkonzentriert und kann beliebig lange gelagert werden.
Die
Beladung des
Speichers findet
eigenaktiv statt. Die
Entladung des Speichermaterials kann durch die
natürliche Luftbewegung, durch eine
mechanische Lüftung oder durch
regenerative oder
konventionelle Kühlkonzepte erfolgen.
Oft hat ein Energiespeicher (Wärme- und/oder Kältespeicher) eine zu geringe Kapazität oder er kann aus Platzgründen nicht in der gewünschten oder notwendigen Größe installiert werden.
Hier bietet sich die Nutzung von Phasenwechselmaterialien (PCM = Phase Change Material) an. Diese werden zum Ein- und Ausspeichern thermischer Energie genutzt. Dabei spielt der Phasenwechsel die entscheidende Rolle. Je nach PCM (Paraffine, Salzhydrate etc.) werden beim Erreichen einer bestimmten Temperatur (das ist die Phasenwechseltemperatur und ist jeweils abhängig vom PCM) die Bindungskräfte energetisch "aufgebrochen". Das ist der Schmelzvorgang. Dieser spielt sich bei einer konstanten Temperatur ab. Wird wieder heruntergekühlt, also die eingespeicherte Energie wird bei konstanter Temperatur entnommen, wird das PCM wieder fest. Mit dem PCM kann eine zwei- bis fünffache Speicherkapazitätserhöhung erreicht werden.
Latent-Effekt
Wie viel diese Energie ausmachen kann, zeigt der Blick auf Wassereis: Um 1 kg Wasser von 0 °C fest auf 0 °C flüssig zu bringen, ist so viel Energie notwendig, als würde man 1 kg Wasser von 0 °C (flüssig) auf 80 °C erwärmen.
Die heatStixx und heatSel sind für verschiedene Temperaturbereiche erhältlich. Damit wird ein sehr breites Spektrum an Anwendungsbereichen und Möglichkeiten für die Wärme- und Kältespeicherung abgedeckt.
Anwendung
Anwendung
• Wärmespeicher
• Kältespeicher
• Wärmepumpensysteme
• Power-to-Heat
• Energiespeicher aller Art
Eigenschaften
• Wartungsfrei
• Zyklenfest
• Flexibel
Wärmepumpe optimieren
• SmartGrid Tarife nutzen
• Sperrzeiten überbrücken
• Wirkungsgrade verbessern
Einbringung
• Standardmuffe 1½"
• Automatische Anordnung der Ellipsoide
• Optimierte Durchströmung
Systemkompetenz
• Boostfunktion für Standardspeicher
• Optimierung Systemspeicher
• Systemhoheit bleibt erhalten
Funktion
• Betriebstemperatur wählen
• heatStixx einfüllen
• Latente Energie nutzen
Bei dem Einsatz von umweltfreundlichen Kältemitteln (Propan oder Ammoniak) kommen durch die speziellen Eigenschaften dieser Kältemittel (brennbar/toxisch) fast ausschließlich Kaltwasser- oder Kaltsolesysteme für den "Kälte"-Transport vom Flüssigkeitskühler zu den Kühlstellen zum Einsatz.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Anlagen ist die "Hydraulische Weiche", die zwischen Kälteerzeuger/Flüssigkeitskühler und den einzelnen Kühlräumen oder Kühlmöbel eingebaut wird. Eine für diesen Zweck entwickelte hydraulische Weiche für ein Kaltwasser-/ Kaltsolesystem kann ohne großen Aufwand zu einem PCM-Latentspeicher erweitert werden. Durch diese Erweiterung wird im Kaltwasser-/ Kaltsolesystem eine große Mengen an "Kälteenergie" auf kleinstem Raumvolumen eingespeichert werden.
Hierfür werden PCM-Elemente (Kugeln, Linsen) auf der Baustelle einfach durch eine entsprechende Flanschöffnung in den Speicher eingebracht. Diese verteilen sich dann automaisch zwischen den beiden horizontal eingebrachten Lochblechen. Diese " Speicher" verfügen über Inhalte von 500 Liter bis zu 10.000 Liter, was Speicherkapazitäten von 25 kWh bis 500 kWh entspricht.
Die Kunststofflinsen ("HeatSels") oder Kunststoffkugeln bestehen aus einem für den Anwendungsfall und Temperaturbereich eingestelltem Eutektikum/ Salzhydrat. Das PCM (Phase Change Material) befindet sich in luftdicht verschweißten Linsen/Kugeln mit einer speziellen Geometrie aus Kunststoff (HDPE). Diese Geometrie garantiert einen schnellen und effektiven Phasenwechsel des Materials im Inneren der Kunststofflinsen/-kugeln. Die Geometrie der Linsen ist patentiert. Die Linsen/Kugeln werden mit Hilfe des umlaufenden Wasser-Frostschutzgemisches der Kälteanlage im Ladebetrieb gefroren bzw. im Entladebetrieb wieder geschmolzen. Dieser Vorgang erfolgt bei nahezu konstanter Temperatur und kann ohne Verschleiß beliebig oft wiederholt werden.
Der PCM-Latentspeicher hat ein sehr weites Anwendungsgebiet. Er kann z. B. als thermischer Zwischenspeicher für Kälte aus günstigem Strom (Überschuss einer PV-Anlage, negative Regelenergie) oder als Reserve und Rückhaltung für Lastspitzen oder Notfallversorgungen dienen. Mit einem PCM-Latentspeicher kann die Effizienz und die Versorgungssicherheit eines Systems erhöht werden.
Der Ladebetrieb eines PCM-Latentspeichers bei der Kombination mit Strom ist immer dann sinnvoll, wenn günstige und umweltfreundlich erzeugte elektrische Energie zur Verfügung steht. Besonders bei Niedrigstromtarifen oder zum Beispiel bei Überkapazitäten einer Photovoltaik- oder Windkraftanlage (oder der Speicherung von negativer Regelenergie). Für Kälte- und Klimaanlagen steht dann nachts, durch Abschmelzen des PCM-Latentspeichers, die tagsüber emissionsfreie und umweltschonend erzeugte Kältemenge zur Kühlung zur Verfügung.