Benutzer:Wuliwux/Latentwärmespeicher

Ein Latentwärmespeicher (auch Phasenwechsel- oder PCM-Speicher) ist ein spezieller Typ von Wärmespeicher, der einen Großteil der ihm zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme (z. Bsp. für einen Phasenwechsel von fest zu flüssig) speichert. Die gespeichert Wärme ist verborgen (lateinisch latere, „verborgen sein“), da solange die Phasenumwandlung nicht ganz abgeschlossen ist, die Temperatur eines Stoffes trotz Wärmezufuhr nicht weiter ansteigt. Latentwärmespeicher können daher in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel sehr große Wärmemengen speichern und übertreffen dabei Wärmespeicher, die nur die sensible Wärme eines Stoffes nutzen, wie etwa Heißwasserspeicher.

Da viele Stoffe mit unterschiedlichsten Schmelzpunkten als Phasenwechselmaterial (engl. phase change material, PCM) in Frage kommen, können viele Speicheranwendungen vom Kälte- bis zum Hochtemperaturwärmespeicher mit dieser Technik abgedeckt werden. Die bekanntesten kommerziellen Anwendungen sind derzeit aber noch Kühlakkus und Wärmepads.

Thermodynamik

Schmelzen und Erstarren

Be- und Entladevorgang eines Latentwärmespeicher. Der weiße Pfad deutet eine Unterkühlung der Schmelze an.

Die gesamte Wärme $Q$, die bei einem Aufheizvorgange eingespeichert werden, kann besteht aus insgesamt drei Teilen. Beginnt man bei der kalten Temperatur $T_{k}$im festen Zustantdund führt Wärme zu, so steigt zunächst die Temperatur des Speichermediums bis zum Schmelzpunkt $T_{m}$an. Die Wärmeenergie ist proportional zu spezifischen Wärme im festen Zustand und durch

$$\Delta Q_{1}=\int _{T_{k}}^{T_{m}}mc_{p,fl}\,dT$$

gegeben. Ist die Schmelztemperatur erreicht, setzt die Phasenumwandlung ein. Die Temperatur des Mediums steigt nicht weiter, da die gesamte zugeführte Wärmenergie zur Phasenumwandlung benötigt wird. Zum Aufschmelzen des gesamten Materials wird die latente Wärme

$$\Delta Q_{2}=Q_{lat}=m\Delta h$$

benötigt, die von dem Materialparameter $\Delta h$, die spezifische Schmelzenthalpie Stoffes, bestimmt ist. Erst wenn das gesamte Speichermaterial aufgeschmolzen ist, steigt die Temperatur wieder proportional zur zugeführten Wärme bis zur heißen Endtemperatur $T_{m}$an. Die Wärmemenge die im flüssigen Zustand eingespeichert wird errechnet sich analog zum festen Zustand, sodass sich für die gesamte Wärme

$$Q=\int _{T_{k}}^{T_{m}}mc_{p,fest}\,dT+m\Delta h+\int _{T_{m}}^{T_{h}}mc_{p,fl}\,dT$$

ergibt. Nimmt man an, dass in der Nähe des Schmelzpunktes die spezifischen Wärme im flüssigem und festen Zustand gleich groß und unabhängig von der Temperatur ist, so ergibt sich näherungsweise

$$Q\approx m\Delta h+mc_{p}\Delta T=Q_{lat}+Q_{sens}$$

Abhängig vom Temperaturbereich ist also der Beitrag der latente Wärme an der gesamten Wärmeenergie unterschiedlich groß. Solange keine Unterkühlung eintritt, gelten die selben Formeln auch für den Abkühlvorgang.

Keimbildung und Unterkühlung

Beim Erstarren entstehen erst kleinste Keime der neuen energetisch günstigeren Phasen. Dies kann durch homogene Nukleation im Material oder heterogene Nukleation an Fremdkörpern oder der Behälterwand geschehen. Bedingung für ein Weiterwachsen der Keime ist, dass die freie Enthalpie des Gesamtsystems sinkt wenn sich der Keim vergrößert. In die Bilanz geht sowohl die negative Volumenenergie $-\Delta G_{V}$als auch die positive Grenzflächenenergie ein, die durch Oberflächenspannung $\sigma$entsteht ein

$$\Delta G(T)=-\Delta G_{V}(T)+\sigma (T)A$$

Um die Grenzflächenenergie zu kompensieren, muss das Material oft weit unter den Schmelzpunkt abgekühlt werden, bevor die statistisch entstehenden Keime groß genug sind um stabil weiter zu wachsen. Dies führt dazu, dass ein Material oft weit unter seinem Schmelzpunkt $T_{m}$noch flüssig vorliegt (Unterkühlung). Sobald die Bedinungen für ein stabiles Keimwachstum aber gegeben sind, etwa durch ausreichende große Unterkühlung oder durch den Kontakt mit Nukleationsmitteln, springt die Temperatur sofort zurück auf $T_{m}$und der normal Erstarrungsprozess setzt ein.

Dieser Effekt der Unterkühlung kann gewünscht sein (siehe Wärmepad), ist oft aber auch eine wesentliche technische Hürde für bestimmte Materialklassen.

Materialien

asd

Klassifizierung

Damit ein Stoff als Phasenwechselmaterial eingesetzt werden kann, sollte er neben dem richtigen Schmelzpunkt auch eine möglichst hohe Schmelzenthalpie besitzen. Dabei ist auch die Dichte des Materials zu berücksichtigen und die volumetrische Wärmespeicherdichte

$$Q_{lat}/V=\rho \Delta h$$

meist die aussagekräftigste Größe. Die Abbildung rechts gibt einen Überblick über die am häufigsten verwendeten Materialklassen im Temperaturbereich 0 bis 300 °C und zeigt, dass dieser Temperaturbereich mit einer Vielzahl von Materialien gut abgedeckt werden kann. Auch für Kältespeicher und Hochtemperaturanwendungen gibt es viele Kandidaten.

Neben der Speicherdichte gibt es noch eine Reihe von zusätzlichen Parameter die für Anwendungen eine Rolle spielen:

• Die Wärmeleitfähigkeit ${\textstyle \lambda }$sollte möglichst groß sein, da sie die Wärmeleistung, die der Speicher abgeben kann, wesentlich bestimmt. Alle in Abbildung xxx gezeigten Stoffe haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit ${\textstyle \lambda \approx 1}$.
• Der Dichteunterschied ${\textstyle \Delta \rho }$zwischen fester und flüssiger Phase sollte möglichste klein sein, damit sich das Speichermaterial beim Erstarren nicht vom Wärmetauscher ablöst.
• Damit eine lange Lebensdauer garantiert ist, müssen die Materialien über viele Speicherzyklen thermische stabil sein.
• In den meisten Fällen ist eine Unterkühlung unerwünscht.
• Da der Wärmepreis gering ist, müssen die eingesetzten Stoffe ebenfalls günstig sein.
• Zudem sollte der Stoff ungefährlich, ungiftig und nicht korrosiv sein.

Für eine bestimmte Anwendung müssen alle diese Faktoren in Betracht gezogen werden, um das am besten geeignete Material zu finden.

Anwendungen

Wärmepad

Aktivierung eines Wärmepads. Der Temperatursensor zeigt die Temperatur an der Oberfläche, die von der im Inneren abweicht.

Ein Wärmepad ist ein Latentwärmespeicher im Taschenformat, mit dem man sich bei kalten Temperaturen die Hände wärmen kann (ähnlich einem Taschenofen). Es besteht nur aus einem Kunststoff-Beutel, in sich Natriumactetat-Trihydrat und ein kleines Metallplättchen befindet. Dieses Salzhydrat schmilzt bei 58 °C und unterkühlt so stark, dass es sogar bei Raumtemperatur noch flüssig bleibt.

Um das Wärmepad zu verwenden muss zuerst Wärme eingespeichert werden. Dazu legt man es in ein Wasserbad und schmilzt es durch. Danach lässt man es auskühlen und kann es bis zur Verwendung bei Raumtemperatur lagern. Will man nun die Wärme abrufen, so knickt man das Metallplättchen um. Dadurch werden kleinste Reste der festen Phasen freigesetzt, die in den Ritzen des Plättchens sitzen und sich beim Aufschmelzen aufgrund des starken Drucks in den Spalten nicht verflüssigt haben. Sie dienen als Nukleationskeim und das stark unterkühlt Material beginnt sich schnell zu verfestigen. Die Temperatur im Material steigt dabei auf die Schmelztemperatur an und bleibt auf diesem Wert, bis dem Material die restliche latente Wärme entzogen wird.

Energieeffizienz

Vergleich der volumetrische Speicherdichte zwischen einem Heißwasserspeicher und einem Latentwärmespeicher auf der Basis von Paraffin. Welche Technologie besser ist, hängt von der nutzbaren Temperaturdifferenz ab.

Die Hauptaufgabe eines Wärmespeichers ist es, Angebot und Nachfrage von Wärme zeitlich zu entkoppeIn um dadurch die Effizienz des Gesamtsystems zu erhöhen. Hier gibt es eine Reihe von Anwendungen mit unterschiedlichem Technologie-Reifegrad:

• Hocheffiziente Wärmespeicher: Durch den Einsatz von Phasenwechselmaterialien können hohe Wärmespeicherdichten erreicht werden und es ist dadurch ermöglichen, bei gleichem Platzbedarf des Speichers einen größeren Teil der schwankenden Sonnenenergie für Heiz- oder Kühlanwendungen (solares Kühlen) zu nutzen. Dazu zählen auch Eisspeicher, die in Kombination mit einer Wärmepumpe arbeiten oder Hochtemperaturspeicher, die in solare Kraftwerke eingebunden sind und zur nächtlichen Stromerzeugung dienen.[cite DLR].
• Wärmespeichernde Baumaterialien: Phasenwechselmaterialien werden in Gipskartonplatten oder Ziegel eingebracht, um die Wärmespeicherfähigkeit der Baumaterialien zu erhöhen. Dadurch können Temperaturschwankungen verringert werden und der Heiz- bzw. Kühlbedarf sinkt.
• Solarkocher: Durch den Einsatz eines Phasenwechselmaterials, das bei der gewünschten Kochtemperatur (z. Bsp. 90 °C) schmilzt, kann während des Tages Sonnenenergie gespeichert und nach Sonnenuntergang zum Kochen genutzt werden. Dies ist für Entwicklungsländer mit einem Mangel an günstigen Brennstoffen besonders interessant.

Sonstige

Automotive, Bekleidung, als Überhitzungsschutz in der Elektronik, Konsumgüter

Trivia

• Die Bierkeller von Brauereien machten sich vor Einzug der industriellen Kältetechnik die hohe Schmelzenthalpie (und den günstigen Preis) von Eis zu nutze. Im Winter wurde Natureis, das zum Beispiel aus gefrorenen Seen geschnitten wurde, eingelagert (Eiskeller) und hielt das Bier über die warmen Monate kalt.
• Sowjetische Raumsonden der Venera-Mission, wie zum Beispiel Venera 9, hatte einen Latentwärmespeicher auf der Basis von Lithiumnitrat-Trihydrat eingebaut, um den hohen Temperaturen auf der Venus länger widerstehen zu können.

Siehe auch

• Aggregatzustand
• Keimbildung
• Eutektikum

Weblinks

• Lach- und Sachgeschichte zur Funktion des Wärmepads
• NIST Thermochemistry Webbook bietet unter „phase change data“ thermophysikalische Daten zum Phasenwechsel für viele Substanzen

Literatur

• Harald Mehling und Luisa F. Cabeza: Heat and cold storage with PCM. Springer, 2008, ISBN 978-3-540-68556-2, doi:10.1007/978-3-540-68557-9.