Was ist ein Latentwärmespeicher?

Weiter geht’s in unserer Reihe Wärmespeicher, begonnen mit den Artikeln: Solarthermie: Saisonal Wärmespeicher braucht das Land”, und “Was ist eine Erdsolespeicher” mit der Vorstellung! Vorhang auf für den sogenannten Latentwärmespeicher!

Darunter versteht man ein Bauteil / eine Anlage, mit dessen / deren Hilfe sich thermische Energie speichern lässt – und zwar

• verborgen
• verlustarm
• wiederholt
• und über lange Zeit.

Um diese Speicherleistung zu vollbringen, nutzt ein Latentwärmespeicher Materialien, die die Fähigkeit besitzen, ihre Phasen zu wechseln: sogenannte Phasenwechselmaterialien, auf Englisch: „Phase Change Materials“, kurz: PCM. Und davon gibt es nicht nur viele, sondern auch sehr verschiedene. Je nach Materialart ist deren

• latente Schmelzwärme (Schmelzwärme ist die Energie, die ein Stoff benötigt, um zu schmelzen, also vom festen in den flüssigen Aggregatzustand zu wechseln)
• Lösungswärme (Lösungswärme ist die Energie, die auftritt, wenn ein Stoff sich in einem Lösungsmittel auflöst)
• oder Absorptionswärme (Absorptionswärme ist die Energie, die auftritt, wenn ein Teilchen wie Atom, Molekül, Ion in einer anderen Phase aufgenommen / “gelöst“ wird.

um ein Vielfaches größer als die Wärme, die diese dank der ihnen normalerweise, sprich: ohne den Effekt, den die Phasenwandlung hat, innewohnenden Wärmekapazität. Am häufigsten geht es um die Vorgänge Erstarren und Schmelzen.

Bekanntes Beispiel für einen latenten Wärmespeicher: Wärmekissen

Ein Wärmekissen ist oft mit einem Salz (Natriumacetat-Trihydrat, Glaubersalz, Alaun) gefüllt. Um dieses von fest nach flüssig zu bekommen, muss man das Wärmekissen erhitzen. Schon bei 58 Grad Celsius schmilzt der feste Stoff Natriumacetat-Trihydrat (Schmelzpunkt von Glaubersalz: 32,5 Grad Celsius). Dabei muss das Kissen stetig und komplett von Wasser umgeben sein. Andernfalls könnte das heiß werdende Salz die Hülle schmelzen lassen. Mit dem Erhitzen löst sich das Salz innerhalb seines Kristalgitters, die Moleküle des Wassers bilden ihr eigenes Kristallgitter, das sich zuerst auflöst. In diesem Zustand kann das Kissen bei bis zu minus 20 Grad Celsius verharren. Drückt man das kleine Plättchen aus Metall, das im Wärmekissen schwimmt, löst man damit eine Reaktion aus: eine Kristallisation. Das Kissen erwärmt sich auf die Schmelztemperatur und gibt die Wärme über einen langen Zeitraum ab – was praktisch ist, um frostkalte Glieder warm zu halten.

Diese Art von Wärmespeicherung birgt den großen Vorteil, dass sich in relativ wenig Masse eine große Menge thermische Energie speichern lässt. Das macht man sich auch beim Speichern solarer Wärme in entsprechenden Solarthermie-Anlagen zu Nutze, die häufig mit Paraffin als Speichermedium arbeiten.

Paraffin als Latentwärmespeicher in einer Solarthermie-Anlage

Paraffin wird als latenter Wärmespeicher eingesetzt, um solarthermische Energie für lange Zeit zu speichern und nach Bedarf abzugeben. Paraffin ist ein Destillat aus Benzin, Diesel oder Heizöl, das wegen seiner Herkunft (Abfallprodukt der Erdölproduktion) nicht unumstritten ist. Als Stoff punktet Paraffin mit diesen Eigenschaften:

• wachsartige Konsistenz,
• geruchs- und geschmackslos,
• unbrennbar,
• ungiftig,
• elektrisch isolierend
• wasserabstoßend

Die Schmelztemperatur von Paraffin liegt je nach Art zwischen 48 und 68 Grad Celsius. Sie liegt damit im Rahmen der Nutztemperatur, die man üblicherweise zum Heizen von Gebäude / Wasser abgreifen möchte. Ein Grund, warum Paraffin als latenter Wärmespeicher zum Einsatz kommt. Die Schmelzwärme von Paraffin beträgt 189 Kilojoule pro Kilogramm.

Ein Wärmespeicher, der das Medium Paraffin nutzt, besteht in der Regel aus einem Kasten, der wärmegedämmt ist und mehrere Kunststoffrohre beherbergt, die wiederum mit Paraffin gefüllt sind. Die Zwischenräume zwischen den entweder senkrecht oder auch waagerecht angeordneten Rohren sind häufig mit Kies aufgefüllt. Durch das Paraffin hindurch verlegt man die Wärmetauscher der Solarthermie-Anlage und die Rohre für Heizung und Trinkwasser. Erwärmt sich das Paraffin, schmilzt es. Dabei vermag es bis zu 85 Grad Celsius an Wärme zu speichern. Gegenüber einem Wasserspeicher ist die Speicherkapazität eines Paraffinspeichers um ein Vielfaches höher, Experten schätzen zwei bis vier Mal so hoch. Die gespeicherte Wärme steht zudem länger zur Verfügung.

Zukunftsmusik: Latente Wärmespeicher – flächig integriert in Gebäudewände und -decken

Mit der Integration von Latentwärmespeichern, sprich: PCM, in die oberflächliche Bausubstanz (Außenputz, Mauerwerk, Innenputz) von Gebäuden will man eine Stabilisierung des Raumklimas erreichen und den Nutzungskomfort des Bauwerks, insbesondere an heißen Sommertagen, erhöhen. Bei durchdachter Planung ließen sich damit kühlende Systeme teilweise oder ganz ersetzen.

Daran arbeiten Entwickler in Forschung und Industrie heute. Baumaterialien wie die Gipsplatte Kanuf PCM Smartboard, der Gipsputz Maxit oder integrierte Speicherbehälter (DuPont Energain®), arbeiten Großteils  mit sogenannten mikroverkapselten PCM. Einen ersten Eindruck bisheriger Forschungsarbeit vermittelt dieser Artikel. Technisch ausgereift sei demnach bisher nur der Einsatz von Paraffinen und Fettsäuren.

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