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OldBo
04.03.2021
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.
Wirkungsweise der Latentwärmespeicherung
 Wirkungsweise der Latentwärmespeicherung
Quelle: BASF SE
Wärmekapazität
 Wärmekapazität
Quelle: Bosy
Speicherwärmemengen
 Speicherwärmemengen
Quelle: Bosy

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.
Speicherkapazität erhöhen mit innovativen heatStixx
ZweizonenSpeicher
 ZweizonenSpeicher
Quelle: kraftBoxx GmbH / Klara Energy Systems GmbH
heatStixx und heatSel
 heatStixx und heatSel
Quelle: kraftBoxx GmbH / Klara Energy Systems GmbH

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

Hauptanwendungen der heatStixx

Wärme

Kälte

• Solarthermie
• PV-Heat
Wärmepumpe
Brennwerttechnik
Heizkessel

• Prozesswärme
• Nah- und Fernwärmenetze
Betonkernaktivierung
• Sonnenhaus
• Lüftung/Wärmerückgewinnung

• Lüftung/Klimatechnik<
• Prozesskälte
• Kühltheken
• Supermarkt-Kälteanlage
Eisspeicher

Hydraulische Weiche als Latentspeicher
Hydraulische Weiche als Latentspeicher
 Hydraulische Weiche als Latentspeicher
Quelle: Frigoteam Handels GmbH
Anwendungsbereich (Temperaturbereich)der PCM-Typen
 Anwendungsbereich (Temperaturbereich)der PCM-Typen
Quelle: Frigoteam Handels GmbH
Thermischer Zwischenspeicher für Kälte in Verbindung mit Photovoltaik
 Thermischer Zwischenspeicher für Kälte in Verbindung mit Photovoltaik
Quelle: Frigoteam Handels GmbH

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.

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