Prinzip

Hintergrund der Latentspeichertechnologie

In der heutigen Welt spielt die effiziente Nutzung von Energie bekanntermaßen eine immer größere Rolle. Bisher ist es Gewohnheit, mit Hilfe von endlichen Ressourcen (Öl, Kohle etc.) oder auslaufenden Modellen (Kernkraft) zu jeder Zeit „on demand“ über genügend Energie zu verfügen. Dieser Luxus geht jedoch zu Lasten der Umwelt, es müssen unnötig große Kraftwerksleistungen vorgehalten werden, die CO2-Emissionen steigen und weitere schwer umweltbelastende Faktoren durch Gewinnung, Transport und Entsorgung dieser Energieträger sind die Folge.

Dabei verfügen wir über genügend Energie, nur mit dem Problem dass Angebot und Nachfrage oftmals zeitlich verschoben sind. Dabei kann es von wenigen Minuten (z. B. in Produktionen) bis hin zu mehreren Stunden gehen. Als Beispiel sei die Solarthermie genannt, die tagsüber für ihre Wärmeangebote kaum eine direkte Abnahme findet aber in der Nacht sprichwörtlich heiß begehrt ist. Weitere wichtige phasenverschobene Anwendungen finden sich bei Blockheizkraftwerken, Wärmepumpen, Brennstoffzellen etc.). Hier setzt das Thema Speicherung ein. Durch die Vielzahl energiewendebedingter volatiler Energieerzeuger (elektrisch, thermisch) ist eine Speicherung unabdingbar. Im Folgenden gilt die Betrachtung speziell der Speicherung thermischer Energie.

Grundsätzliche Betrachtungen zum Prinzip der Latentspeicher-Technologie

Latentspeicher basieren auf dem Prinzip des Phasenwechsels eines dafür geeigneten Materials (PCM => Phase Change Material). Befindet sich dieses PCM im festen (kristallinen) Zustand und ihm wird Energie in Form von Wärme zugeführt, steigt die Temperatur des PCM solange stetig an, bis es anfängt zu schmelzen. In diesem Moment beginnt der Phasenwechsel. Dabei werden die molekularen Bindungen thermisch aufgebrochen, das PCM verflüssigt sich. Ab diesem Moment nimmt das PCM thermische Energie auf, ohne jedoch dabei die Temperatur zu ändern (latent). Erst nach dem vollständigen Aufschmelzen des PCM steigt bei konstanter Energiezufuhr die Temperatur (sensibel) an.

Unterschied sensibler Speicher zu Latentspeicher:

Bei z. B. Wasserspeichern (oberhalb 0 °C) wird die relativ hohe sensible Wärme genutzt, die Wasser aufnehmen kann. Das sind 1,16 Wh/kg*K. Das bedeutet, je höher die Temperaturdifferenz ist, desto mehr thermische Energie wird eingespeichert. Bei einer Temperaturdifferenz von z. B. 50 K würde
1 kg Wasser 50 * 1,16 = 58 Wh aufnehmen.
Grundvoraussetzung ist jedoch, dass so große Temperaturdifferenzen überhaupt zur Verfügung stehen! Ist das nicht der Fall, so wie es für Latentspeicheranwendungen Voraussetzung ist, haben so große dT bei Angaben zu Kapazität etc. bei PCM-Technologien nichts zu suchen.
Ein gutes PCM kann allerdings bereits in einem Temperaturbereich von ca. 10 K schon ca. 50 Wh/kg aufnehmen. Daher ist der Einsatz von Latentspeichern auf kleine Temperaturdifferenzen beschränkt. Je kleiner die Temperaturdifferenzen, desto effektiver ist ein Latentspeicher. Daher ist eine Berechnung von PCM-Speicherkapazitäten mit großen Temperaturdifferenzen völliger Unsinn. Stehen größere Temperaturdifferenzen ab ca. 20 K zur Verfügung, so ist stets der Kapazitäts-/Kostenvergleich mit Wasserspeichern ratsam. Berechnungen von Latentspeichern mit solch großen Temperaturdifferenzen sind nicht zielführend, da die eigentliche Funktion, der Phasenwechsel, abgeschlossen ist und bei einem dT=50 K ca. 40 K davon als sensible Wärme dazugerechnet werden. Beispiel: 1 kg PCM (auf paraffinischer Basis) hat eine sensible Wärme von ca. 0,6 Wh/kg*K (das ist die Hälfte von Wasser!). 40 K * 0,6 Wh/kg*K = 24 Wh. Die eingespeicherte Wärme ist für den großen Aufwand der Temperaturdifferenz gering, verfälscht jedoch die angegebene Schmelzenthalpie des PCM um (nutzlose) 50%.

Die Speicherung

Bislang werden hauptsächlich große Wassertanks als thermische Speicher eingesetzt. Das ist dann sinnvoll, wenn es gilt mit großen Temperaturdifferenzen zu arbeiten. Wenn z. B. in einem Wassertank 90grädiges Wasser eingelagert wird und beim Verbraucher bis auf z. B. 30 °C genutzt wird, ist das eine sehr große Temperaturdifferenz von 60K. Bei so großen Temperaturhüben ist ein sensibler (Wasser)-Speicher nicht alternativ sinnvoll zu ersetzen. Allerdings werden Anlagen mit größeren Temperaturunterschieden immer weniger (Altanlagen), da es sich dabei um hochgradige Energie-Verschwendungsmaschinen handelt. Moderne energetische Systeme arbeiten mit kleinen Temperaturdifferenzen. Dadurch liegen Erzeuger und Verbraucher in ihren Temperaturen sehr nahe und es muss nur das notwendige Minimum an Energie aufgebracht werden, um die verbrauchte Energie über einen kleinen Temperaturhub wieder dem Kreislauf zuzuführen. Diese effizienten Anlagen kommen mit nur noch einem Bruchteil der früher eingesetzten Primärenergie aus. Je kleiner die Temperaturdifferenzen werden, desto weniger Energie allerdings können sensible Speicher einlagern. Wenn die nutzbare Temperaturdifferenz nur noch z. B. 5 K (wie von 5 bis 10 °C) beträgt hat ein Wasserspeicher pro kg Wasser ca. 5,8 Wh eingespeichert. Zudem nimmt mit jeder Energieentnahme die Arbeitstemperaturdifferenz immer weiter ab, so dass damit gleichzeitig die Leistung sinkt.

Genau hier entfalten Latentspeicher ihre wesentlichen Vorteile. Diese enthalten sogenannte Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, kurz PCM). PCM haben die Eigenschaft bei definierten Temperaturen einen Phasenwechsel von fest zu flüssig oder umgekehrt zu durchlaufen (flüssig-dampfförmig und ähnliche Systeme werden hier nicht betrachtet).

1prinzipiell gibt es thermodynamisch gesehen nur Wärme, zur einfacheren allgemeinen Beschreibung werden aber die Begriffe „Kälte“ und „Wärme“ benutzt.

Bei diesem Phasenwechsel wird sehr viel thermische Energie aufgenommen (fest=>flüssig) oder abgegeben (flüssig=>fest) und das bei konstanter Temperatur.

Beispielsweise beträgt die Wärmekapazität von Wasser 1,16 Wh/kg*K (Erwärmung um 1 °C). Bei 5 K sind das also (5 K*1,16 Wh =) 5,8 Wh pro kg Wasser. Betrachtet man hingegen den Hauptschmelzbereich eines typischen PCM, wie z. B. dem paraffinbasierten ATP 62 der Fa. Axiotherm, erhält man eine Einspeicherkapazität von 53 Wh pro kg PCM bei einer Temperaturdifferenz von 5K, also etwas mehr als das 9-fache pro kg im Vergleich zu Wasser. Dieser Vorteil sinkt für höhere Temperaturdifferenzen und beispielsweise beträgt das Verhältnis für 10 K Temperaturdifferenz nur noch das 5,2-fache. Diese Angaben müssen zwar je nach Anwendungsfall noch bezüglich der Dichte korrigiert werden (Paraffin-PCM haben eine Dichte von ca. 0,7-0,85 g/cm3), allerdings wird anhand dieser Werte der deutliche Vorteil von Latentspeichern bei relativ kleinen Temperaturdifferenzen gegenüber sensiblen Speichern deutlich

Funktionsweise des wassergeführten Axiotherm-Latentspeichers

Aufgrund der schlechten Wärmeleitung von PCM ist es sinnlos, einen Behälter mit einem PCM komplett zu befüllen und z. B. ein wasserdurchströmtes Wendelrohr dazu zu bringen, in der Hoffnung man könne so Wärme oder Kälte ein- und ausspeichern. Ansätze dieser Art gab es schon viele, haben aufgrund physikalischer Gegebenheiten mehr oder weniger ihr Ziel verfehlt. In solchen Konstruktionen verhindert die schlechte Wärmeleitfähigkeit des PCM einen kontinuierlichen Energieeintrag (Einspeichern) und erst recht den Austrag (Ausspeichern). Das lässt sich mit dem gekochten Frühstücks-Ei vergleichen: die im Garprozess entstehenden festen Schichten verschlechtern den Wärmeeintrag zum Kern des Eies, nur aufgrund großer Temperaturdifferenzen und ausreichend Zeit wird ein relativ geringer Wärmestrom erreicht. Für einen Latentspeicher bedeutet das aufgrund der kleinen Temperaturdifferenzen eine sehr lange Zeit zum Ein- und Ausspeichern der thermischen Energie sowie sehr große Temperaturgradienten (der Kern des Eies ist noch heiß, die Schale höchstens warm) bzw. mehr oder weniger große Anteile des PCM nehmen erst gar nicht am Phasenwechsel teil.

Der Axiotherm-Latentspeicher hingegen ist ein Hybrid-Speicher. Es befinden sich makroverkapselte PCM in einem wassergefüllten Behälter.

Die Makroverkapselungen sind so konstruiert, dass neben einer großen Oberfläche gleichzeitig die PCM-Schichtdicken so gering gehalten werden, dass das gesamte PCM am Phasenwechselprozess teilnimmt und gleichzeitig vollflächig durchströmbare Packungen (der übereinandergestapelten Makroverkapselungs-elemente) gesichert sind. Das im Speicher enthaltene Wasser wird ebenfalls für die Energiebilanz und Dynamik des Speichers genutzt. Durch die Masse werden im Wasseranteil in allen Temperaturbereichen, je nach Temperaturdifferenz, entsprechende Energiemengen gespeichert. Aufgrund der Systemtrennung des Axiotherm-Latentspeichers durch Plattenwärmetauscher vom Sekundärkreislauf läuft dieses Speicherwasser pumpenunterstützt im Kreislauf. Dadurch bleiben die eingespeicherten Energiemengen im Speichersystem erhalten.

Das Wasser dient zum einen als Träger für die thermische Energie zum Ein- und Auskoppeln der thermischen Energie und zum anderen als sensibles Speichermedium.

Luftgeführte Speicher

Bei diesen verhält es sich ähnlich wie bei den wassergeführten, nur das hier das Wärmeträgermedium Luft ist. Grundsätzlich ist es nicht völlig neu, PCM in einer Art Kassette einzulagern und als Speicherelement zu nutzen. Aber auch hier ist es wichtig, die thermodynamischen, fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Belange unter einen Hut zu bringen. Es kann sich grundsätzlich um direkte oder indirekte Systeme handeln, d. h. die zu erwärmende oder zu kühlende Luft kann über Wärmetauschersysteme laufen oder direkt in den Raum eingeblasen werden oder im Umluftbetrieb arbeiten. Durch das PCM wird es ermöglicht, z. B. mit kühler Nachtluft das PCM herunterzukühlen und diese Kühlenergie tagsüber zum Reduzieren der Leistungsspitzen der Klimaanlagen zu nutzen. Im umgekehrten Falle wird Wärme des Tages in der Nacht wieder zur Verfügung gestellt.

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