Nun im Handel: Latentwärmespeicher

(04. April 2010) Ein von BASF entwickeltes winziges Wachsteilchen hilft, die teilweise starken Temperaturschwankungen im Sommer zu mindern. Steigt die Temperatur zum Beispiel in einem Dachgeschoss über 26 Grad an, schmilzt das Wachsteilchen und nimmt dabei Wärme auf. Der Dachraum wird dadurch nicht mehr so heiß. Nachts kühlt es ab. Das Wachsteilchen erstarrt wieder und gibt dabei Wärme ab. Die Schmelzwärme ist ganz erheblich.

Micronal besteht aus sogenanntem Phasenwechselmaterial, auf Englisch Phase Change Material, kurz PCM. Eine Micronal-Gipsplatte von 1,5 Zentimetern Stärke speichert genauso viel Wärme wie ein 36 Zentimeter dicke Hohlziegel oder eine 14 Zentimeter dicke Betonwand. Das Prinzip lässt sich in vielen Teilen des Gebäudes einsetzen. Allerdings sollte sichergestellt sein, dass die gespeicherte Wärme zu einem späteren Zeitpunkt problemlos abgeführt werden kann.

Micronal kann man als Beimischung von Gipsputz kaufen (Maxit), in Hohlblockbausteine eingegossen oder als Bestandteil von Gipsplatten (Knauf PC Smartboard). Die Anschaffung macht sich laut Herstellerangaben nach fünf Jahren bezahlt. Die unkaputtbaren Mikrokapseln gibt es mit unterschiedlichen Schmelzpunkten: 21, 23 oder 26 Grad Celsius. Das Material ist ungiftig und umweltverträglich.

Latentwärmespeicher

Durch Wärmespeicherung lässt sich Energie effizienter nutzen:
Nachfrage und Angebot nach Wärme können besser aufeinander abgestimmt werden, Abwärme kann genutzt werden, Versorgungssicherheit geboten werden oder Wärme kann transportiert werden. Mit Latentwärmespeichern lassen sich sehr viel höhere Speicherdichten erzielen als mit herkömmlichen Warmwasserspeichern. Der Phasenübergang eines Materials speichert die Wärme.

Schon die Römer nutzten das Schmelzen von Eis, d.h. den Phasenübergang von fest zu flüssig, um Lebensmittel kühl zu halten. In den letzten zehn Jahren hat die Entwicklung und Kommerzialisierung von Latentwärmespeichern große Fortschritte gemacht.

Das Prinzip

Normalerweise erhöht sich die Temperatur eines Speichermediums, je mehr Wärme man zuführt. Jedoch: Beim Übergang vom festen zum flüssigen Zustand des Mediums wird die zugeführte Wärme zunächst dafür gebraucht, um die festgefügte kristalline Ordnung des Mediums aufzubrechen. Dadurch steigt die Temperatur des Mediums nicht, obwohl Wärme zugeführt wird.
Man spricht von latenter Wärme, die durch den Phasenübergang gespeichert wird. Wird der Stoff wieder abgekühlt, dann wird beim Phasenübergang die latente Wärme wieder abgegeben, ohne dass sich der Stoff abkühlt.
Durch die Latentwärme können in einem kleinen Temperaturbereich große Energiemengen gespeichert werden, es werden hohe Speicherdichten erzielt. Der Phasenübergang geht über einen bestimmten Zeitraum vonstatten. Dadurch können Temperaturschwankungen zeitlich geglättet werden.

Dabei geht es um große Energiemengen: Um Eis zu schmelzen braucht man etwa genauso viel Energie, wie um Wasser von 0 Grad auf 80 Grad zu erhitzen. Für den Übergang zu Wasserdampf wird sogar 5,4 mal mehr Energie benötigt, als Wasser von Null auf hundert Grad zu erwärmen.
Ein kleines Beutelchen flüssigen Acetats auf Zimmertemperatur kann durch einen Impuls zum Kristallisieren gebracht werden. Dabei wird soviel Wärme frei, dass sich das Acetat auf 55 Grad erwärmt - scheinbar von Geisterhand, weil keine Wärme zugeführt wurde.
Wärme- oder Kälteerzeugung ohne jede Technik wie von Geisterhand, darin liegt der Vorzug der PCM, der "Phase Change Materials."

Kältespeicherung

Zur Kältespeicherung zählen PCM mit Phasenübergangstemperaturen unter 0 Grad seit langem zum Stand der Technik. Sie finden als Kältespeicher für die Klimatisierung Anwendung.

Die Vorteile von PCM

Oberhalb 0 Grad haben in den letzten Jahren zahlreiche PCM-Produkte marktreife erlangt. Auf dem Markt stehen PCM in verkapselter Form als Vorprodukte zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
Unabhängigkeit vom Stromnetz, geringes Volumen und gleichbleibende Temperaturen sind die ausschlaggebenden Vorteile.

PCM in Kapseln

PCM mischen sich als Makro- oder Mikrokapseln oder als Verbundwerkstoff in übliche Materialien und ändern deren Temperaturverhalten.
Mikrokapseln sind Polymerschalen mit etwa 3 bis 20 mm Durchmesser. Im Vergleich dazu ist ein Menschenhaar 40 bis 100 mm gross. Diese Kapseln umschließen PCM-Materialien. Am Markt sind Materialien mit Schmelztemperaturen zwischen - 30 Grad und 80 Grad verfügbar. Die Mikrokapseln sind als Pulver fließfähig und haben durch ein hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis einen guten Wärmeübergang.
Mikrokapseln können zu Baustoffen zugefügt werden. Als Bestandteil von Wärmeträgerflüssigkeiten erhöhen sie die Wärmetransportkapazität sehr stark, ohne die Pumpfähigkeit zu beeinträchtigen.

Im Markt haben sie bisher erst als Bestandteil von Textilien Eingang gefunden. Bei Verbundmaterialien werden PCM ungekapselt gemischt mit Baustoffen, Holzspänen, Dämmstoffen, Granulat. Makrokapseln mit PCM sind Beutel aus Spezialfolie, Speicherkugeln usw.

Kleidung und Transportboxen

Transportboxen für temperaturempfindliche Güter, z.B. Blut, bestehen aus einem Latentwärmeakku. Der Akku ist vorgekühlt und hält das Blut für mindestens zwölf Stunden zwischen zwei und zehn Grad Temperatur selbst bei Außentemperaturen von 35 Grad.
Zusammen mit einer Vakuumsuperisolation können Transportboxen temperatursensible Medikamente, Geräte usw. über vier Tage bei konstant - 20 Grad halten, selbst bei Außentemperaturen von 30 Grad.

In Schuhen und Skianzügen beschert PCM den Skifahrern angenehme Wärme. In Anzügen von Feuerwehrleuten schützt PCM vor allzu großer Hitze.

Abwärmenutzung durch PCM

PCM ermöglicht den Transport von Abwärme aus Kraftwerken und Industriebetrieben zu Wärmeabnehmern. Abwärme wird mit einem LKW zum Abnehmer transportiert. Man spart den Bau einer teueren Wärmeleitung.
Voraussetzung für den wirtschaftlichen Einsatz sind genügend große Wärmeabnehmer (ab 2.500 MWh jährliche Wärmeabnahme) und ein Abstand von 20 bis 30 km zur Wärmequelle.
Abwärme aus dem Industriepark Höchst wird im Verwaltungsgebäude der Clariant Deutschland in Sulzbach verwendet. Der Catering Betrieb der Lufthansa Service GmbH am Flughafen Köln wird ebenfalls mit mobiler Latentwärme versorgt.

Klimatechnik

In der Gebäudetechnik wird PCM hauptsächlich zur Vermeidung von Spitzentemperaturen und zur Einsparung der Klimatisierung eingesetzt. Nächtliche Kälte wird in das Gebäude eingespeichert, um mittagliche Hitzespitzen auszugleichen. PCM wird dazu in Wand oder Decke integriert oder in separaten Wärme- oder Kältespeichern untergebracht.

Mikroverkapseltes PCM wird in Gipskartonplatten eingesetzt. Die Platten schneiden die Wärmespitzen nach oben ab. Sie zögern aber auch die Abkühlung hinaus. Bei der Fußbodenspeicherheizung wird die Wärme im Fußboden gespeichert. Der Estrich kann bis 50 Prozent dünner aufgetragen werden. Überhitzungen werden vermieden.

PCM-Fassade

Ein neuartiges Fassadenelement speichert in vier Zentimetern Dicke soviel Wärme wie eine 30 cm Ziegelwand. Tagsüber wird Wärme eingespeichert und das Element hält die Temperatur genau auf der Schmelztemperatur des PCM, nämlich 27 Grad, konstant.
Eine Isolierverglasung verhindert, dass die Temperatur nach außen abgegeben wird. Im Sommer verhindert eine Prismenscheibe, dass Sonnenlicht aus einem Winkel über 40 Grad absorbiert wird. Der Hersteller ist die Schweizer Firma INGLAS.

PCM für Solar

Die PCM erleichtert die Nutzung der Sonnenenergie durch bessere Wärmeträgerflüssigkeiten, Temperaturpufferung in solaren Luftwärmesystemen oder Sonnenschutz-Verbundsystemen.

Fazit

Die PCM-Technik hat ihren Siegeszug in den Alltag erst noch vor sich. Bereits in wenigen Jahren wird sich diese neue Technik den Alltag erobern und auch wesentliche Beiträge zur Energieeinsparung leisten.