Benutzer:Wuliwux/Latentwärmespeicher

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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.

Schmelzen und Erstarren

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

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

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

benötigt, die von dem Materialparameter , 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 an. Die Wärmemenge die im flüssigen Zustand eingespeichert wird errechnet sich analog zum festen Zustand, sodass sich für die gesamte Wärme

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

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

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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 als auch die positive Grenzflächenenergie ein, die durch Oberflächenspannung entsteht ein

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 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 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.

asd

Klassifizierung[1]

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

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[2][3] und Hochtemperaturanwendungen[4] gibt es viele Kandidaten.

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

  • Die Wärmeleitfähigkeit 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 .
  • Der Dichteunterschied 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.

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.[5] 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.[6] 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

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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[7] 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.[8] 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.

Automotive[9][10], Bekleidung, als Überhitzungsschutz in der Elektronik, Konsumgüter

  • 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.[11]

Einzelnachweise

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  1. Jose Pereira da Cunha, Philip Eames: Thermal energy storage for low and medium temperature applications using phase change materials – A review. In: Applied Energy. Band 177, 1. September 2016, ISSN 0306-2619, S. 227–238, doi:10.1016/j.apenergy.2016.05.097 (sciencedirect.com [abgerufen am 10. Februar 2019] Open-Access Preprint verfügbar unter https://core.ac.uk/display/42485984).
  2. E. Oró, A. de Gracia, A. Castell, M.M. Farid, L.F. Cabeza: Review on phase change materials (PCMs) for cold thermal energy storage applications. In: Applied Energy. Band 99, November 2012, S. 513–533, doi:10.1016/j.apenergy.2012.03.058 (elsevier.com [abgerufen am 14. Februar 2019]).
  3. Mahmood Mastani Joybari, Fariborz Haghighat, Jeff Moffat, Paul Sra: Heat and cold storage using phase change materials in domestic refrigeration systems: The state-of-the-art review. In: Energy and Buildings. Band 106, November 2015, S. 111–124, doi:10.1016/j.enbuild.2015.06.016 (elsevier.com [abgerufen am 14. Februar 2019]).
  4. J. C. Gomez: High-Temperature Phase Change Materials (PCM) Candidates for Thermal Energy Storage (TES) Applications. NREL/TP-5500-51446, 1024524, 1. September 2011, doi:10.2172/1024524 (osti.gov [abgerufen am 14. Februar 2019]).
  5. Patent US4077390A: Reusable heat pack containing supercooled solution and means for activating same. Veröffentlicht am 7. März 1978, Erfinder: Joseph Stanley, Griffith L. Hoerner.
  6. B. Sandnes: The physics and the chemistry of the heat pad. In: American Journal of Physics. Band 76, Nr. 6, 2008, ISSN 0002-9505, S. 546–550, doi:10.1119/1.2830533 (scitation.org [abgerufen am 13. Februar 2019] Online verfügbar unter https://www.researchgate.net/publication/216753609).
  7. Eisspeicher von Viessmann. Abgerufen am 15. Februar 2019.
  8. Alvaro de Gracia, Luisa F. Cabeza: Phase change materials and thermal energy storage for buildings. In: Energy and Buildings. Band 103, 2015, S. 414–419, doi:10.1016/j.enbuild.2015.06.007 (elsevier.com [abgerufen am 14. Februar 2019]).
  9. Nicholas R. Jankowski, F. Patrick McCluskey: A review of phase change materials for vehicle component thermal buffering. In: Applied Energy. Band 113, 2014, S. 1525–1561, doi:10.1016/j.apenergy.2013.08.026 (elsevier.com [abgerufen am 15. Februar 2019]).
  10. Speicherverdampfer von Behr. Abgerufen am 15. Februar 2019.
  11. Wesley T. Huntress, JR., Mikhail Ya Marov: Soviet Robots in the Solar System. 2011, doi:10.1007/978-1-4419-7898-1 (springer.com [abgerufen am 7. Februar 2019]).