Latentwärmespeicher

Ein Natriumacetat-Heizkissen. Wenn die Natriumacetatlösung kristallisiert, wird sie warm. ⓘ

Ein Video zeigt ein "Heizkissen" in Aktion ⓘ

Ein Phasenwechselmaterial (PCM) ist eine Substanz, die beim Phasenübergang genügend Energie freisetzt/absorbiert, um nützliche Wärme oder Kühlung zu liefern. Im Allgemeinen erfolgt der Übergang von einem der beiden ersten Grundzustände der Materie - fest und flüssig - in den anderen. Der Phasenübergang kann auch zwischen nicht-klassischen Materiezuständen erfolgen, wie z. B. der Konformität von Kristallen, bei der das Material von einer kristallinen Struktur in eine andere übergeht, bei der es sich um einen höheren oder niedrigeren Energiezustand handeln kann. ⓘ

Die beim Phasenübergang von fest zu flüssig oder umgekehrt freigesetzte/aufgenommene Energie, die Schmelzwärme, ist im Allgemeinen viel höher als die fühlbare Wärme. Eis zum Beispiel benötigt 333,55 J/g, um zu schmelzen, aber Wasser steigt mit nur 4,18 J/g um ein weiteres Grad. Wasser/Eis ist daher ein sehr nützliches Phasenwechselmaterial und wird mindestens seit der Zeit der Achämeniden zur Speicherung von Winterkälte und zur Kühlung von Gebäuden im Sommer verwendet. ⓘ

Durch das Schmelzen und Erstarren bei der Phasenwechseltemperatur (PCT) ist ein PCM in der Lage, große Mengen an Energie zu speichern und freizusetzen, verglichen mit der Speicherung fühlbarer Wärme. Wärme wird absorbiert oder freigesetzt, wenn sich das Material von einem festen in einen flüssigen Zustand und umgekehrt verwandelt oder wenn sich die innere Struktur des Materials ändert; PCM werden daher als Latentwärmespeicher (LHS) bezeichnet. ⓘ

Es gibt zwei Hauptklassen von Phasenwechselmaterialien: organische (kohlenstoffhaltige) Materialien, die entweder aus Erdöl, Pflanzen oder Tieren gewonnen werden, und Salzhydrate, für die im Allgemeinen entweder natürliche Salze aus dem Meer oder aus Mineralvorkommen verwendet werden oder die als Nebenprodukt anderer Prozesse anfallen. Eine dritte Klasse sind Festkörper-Phasenwechsel. ⓘ

PCM werden in vielen verschiedenen kommerziellen Anwendungen eingesetzt, bei denen Energiespeicherung und/oder stabile Temperaturen erforderlich sind, z. B. in Heizkissen, Kühlsystemen für Telefonzellen und Kleidung. ⓘ

Der bei weitem größte potenzielle Markt ist die Gebäudeheizung und -kühlung. In diesem Anwendungsbereich haben PCM ein großes Potenzial, da die Kosten für Strom aus erneuerbaren Energiequellen immer weiter sinken und dieser Strom nur unregelmäßig produziert wird. Dies kann zu einer Diskrepanz zwischen der Spitzennachfrage und der Verfügbarkeit des Angebots führen. In Nordamerika, China, Japan, Australien, Südeuropa und anderen Industrieländern mit heißen Sommern liegt die Angebotsspitze in der Mittagszeit, während die Nachfragespitze zwischen 17:00 und 20:00 Uhr liegt. Dies eröffnet Möglichkeiten für thermische Speichermedien. ⓘ

Fest-flüssig-Phasenwechselmaterialien werden in der Regel für den Einbau in die Endanwendung eingekapselt, um sie im flüssigen Zustand zu halten. In einigen Anwendungen, insbesondere wenn die Einbindung in Textilien erforderlich ist, werden Phasenwechselmaterialien mikroverkapselt. Die Mikroverkapselung ermöglicht es, dass das Material in Form von kleinen Blasen fest bleibt, wenn der PCM-Kern geschmolzen ist. ⓘ

Zwei regenerierbare Handwärmer; links im flüssigen und rechts im kristallisierten Zustand ⓘ

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 Wärmekissen. ⓘ

Eigenschaften und Klassifizierung

Latente Wärmespeicherung kann durch Zustandsänderungen von flüssig→fest, fest→flüssig, fest→gas und flüssig→gas erreicht werden. Für PCMs sind jedoch nur die Phasenwechsel fest→flüssig und flüssig→fest praktisch. Obwohl Flüssig-Gas-Übergänge eine höhere Umwandlungswärme haben als Fest-Flüssig-Übergänge, sind Flüssig-Gas-Phasenübergänge für die Wärmespeicherung unpraktisch, da große Volumina oder hohe Drücke erforderlich sind, um die Materialien in ihrer Gasphase zu speichern. Fest-Fest-Phasenübergänge sind in der Regel sehr langsam und haben eine relativ geringe Umwandlungswärme. ⓘ

Anfänglich verhalten sich fest-flüssige PCMs wie sensible Wärmespeichermaterialien (SHS); ihre Temperatur steigt, wenn sie Wärme aufnehmen. Im Gegensatz zu herkömmlichen SHS-Materialien nehmen PCMs jedoch, wenn sie ihre Phasenwechseltemperatur (ihren Schmelzpunkt) erreichen, große Wärmemengen bei nahezu konstanter Temperatur auf, bis das gesamte Material geschmolzen ist. Wenn die Umgebungstemperatur um ein flüssiges Material herum sinkt, verfestigt sich das PCM und gibt seine gespeicherte latente Wärme ab. Es gibt eine große Anzahl von PCMs in jedem gewünschten Temperaturbereich von -5 bis 190 °C. Innerhalb des menschlichen Wohlfühlbereichs zwischen 20 und 30 °C sind einige PCMs sehr effektiv und speichern über 200 kJ/kg latente Wärme, während die spezifische Wärmekapazität von Mauerwerk bei etwa 1 kJ/(kg*°C) liegt. Die Speicherdichte kann also pro kg 20-mal höher sein als bei Mauerwerk, wenn eine Temperaturschwankung von 10 °C zugelassen wird. Da die Masse des Mauerwerks jedoch weitaus größer ist als die des PCM, wird diese spezifische Wärmekapazität (pro Masse) etwas ausgeglichen. Eine gemauerte Wand könnte eine Masse von 200 kg/m² haben. Um die Wärmekapazität zu verdoppeln, würde man also zusätzliche 10 kg/m² PCM benötigen. ⓘ

Beispiel Organisches PCM auf Biobasis in einer Poly/Folien-Kapselung für eine dauerhafte Anwendung in Gebäuden, wo es den Energieverbrauch der Klimaanlage senkt und den Komfort der Bewohner erhöht. ⓘ

Organische PCMs

Kohlenwasserstoffe, vor allem Paraffine (C_nH_2n+2) und Fette, aber auch Zuckeralkohole. ⓘ

• Vorteile
  • Gefrieren ohne große Unterkühlung
  • Fähigkeit, kongruent zu schmelzen
  • Selbstnukleierende Eigenschaften
  • Kompatibilität mit herkömmlichen Baumaterialien
  • Keine Entmischung
  • Chemisch stabil
  • Sicher und nicht reaktiv
• Nachteile
  • Geringe Wärmeleitfähigkeit im festen Zustand. Während des Gefrierzyklus sind hohe Wärmeübertragungsraten erforderlich. Es wurde festgestellt, dass die effektive Wärmeleitfähigkeit von Nanokompositen um bis zu 216 % steigt.
  • Die volumetrische Latentwärmespeicherkapazität kann gering sein.
  • Entflammbar. Dies kann teilweise durch ein spezielles Containment gemildert werden. ⓘ

Anorganisch

Salzhydrate (M_xN_y-nH₂O) ⓘ

• Vorteile
  • Hohe volumetrische Latentwärmespeicherkapazität
  • Verfügbarkeit und niedrige Kosten
  • Scharfer Schmelzpunkt
  • Hohe Wärmeleitfähigkeit
  • Hohe Schmelzwärme
  • Nicht entflammbar
  • Nachhaltigkeit
• Nachteile
  • Es ist schwierig, inkongruentes Schmelzen und Phasentrennung beim Zyklus zu verhindern, was einen erheblichen Verlust an latenter Wärmeenthalpie verursachen kann.
  • Kann auf viele andere Materialien, wie z. B. Metalle, korrosiv wirken. Dies lässt sich umgehen, indem nur bestimmte Metall-PCM-Paarungen verwendet werden oder kleine Mengen in nicht reaktivem Kunststoff eingekapselt werden.
  • Die Volumenänderung ist bei einigen Mischungen sehr hoch.
  • Die Superkühlung kann beim Fest-Flüssig-Übergang ein Problem darstellen, was die Verwendung von Nukleierungsmitteln erforderlich macht, die nach wiederholten Zyklen unwirksam werden können. ⓘ

Beispiel: eutektisches Salzhydrat-PCM mit Nukleierungs- und Geliermitteln für langfristige thermische Stabilität und physikalische Beständigkeit der Makroverkapselung mit thermoplastischer Folie. Angewandt zur passiven Temperaturstabilisierung, um Energieeinsparungen bei der Gebäudeklimatisierung zu erzielen. ⓘ

Hygroskopische Materialien

Viele natürliche Baustoffe sind hygroskopisch, d. h. sie können Wasser aufnehmen (Wasser kondensiert) und abgeben (Wasser verdunstet). Der Prozess läuft folgendermaßen ab:

• Kondensation (Gas zu Flüssigkeit) ΔH<0; die Enthalpie nimmt ab (exothermer Prozess) und gibt Wärme ab.
• Verdampfung (Flüssigkeit zu Gas) ΔH>0; die Enthalpie steigt (endothermer Prozess) und nimmt Wärme auf (oder kühlt). ⓘ

Bei diesem Prozess wird zwar nur eine geringe Energiemenge freigesetzt, aber die große Oberfläche ermöglicht eine erhebliche (1-2 °C) Erwärmung oder Abkühlung von Gebäuden. Entsprechende Materialien sind Wolldämmung und Lehm-/Tonputz. ⓘ

Feststoff-PCMs

Eine spezielle Gruppe von PCMs, die einen Phasenübergang von fest zu fest durchlaufen und dabei große Wärmemengen aufnehmen und abgeben. Diese Materialien ändern ihre kristalline Struktur von einer Gitterkonfiguration zu einer anderen bei einer festen und genau definierten Temperatur, und die Umwandlung kann latente Wärme beinhalten, die mit den effektivsten fest/flüssig PCMs vergleichbar ist. Solche Materialien sind nützlich, weil sie im Gegensatz zu festen/flüssigen PCMs keine Keimbildung benötigen, um eine Unterkühlung zu verhindern. Da es sich um einen Phasenwechsel zwischen fest und flüssig handelt, gibt es außerdem keine sichtbaren Veränderungen im Erscheinungsbild des PCM, und es gibt keine Probleme im Zusammenhang mit der Handhabung von Flüssigkeiten, z. B. Eindämmung, mögliche Leckagen usw. Derzeit reicht der Temperaturbereich von Festkörper-PCM-Lösungen von -50 °C (-58 °F) bis zu +175 °C (347 °F). ⓘ

Auswahlkriterien

Das Phasenwechselmaterial sollte die folgenden thermodynamischen Eigenschaften besitzen:

• Schmelztemperatur im gewünschten Betriebstemperaturbereich
• Hohe latente Schmelzwärme pro Volumeneinheit
• hohe spezifische Wärme, hohe Dichte und hohe Wärmeleitfähigkeit
• Geringe Volumenänderungen bei der Phasenumwandlung und geringer Dampfdruck bei Betriebstemperaturen, um das Einschließungsproblem zu verringern
• Kongruentes Schmelzen ⓘ

Kinetische Eigenschaften

• Hohe Keimbildungsrate zur Vermeidung von Unterkühlung der flüssigen Phase
• Hohe Kristallwachstumsrate, so dass das System die Anforderungen der Wärmerückgewinnung aus dem Speichersystem erfüllen kann ⓘ

Chemische Eigenschaften

• Chemische Stabilität
• Vollständig reversibler Gefrier-/Schmelzzyklus
• Keine Zersetzung nach einer großen Anzahl von Gefrier-/Schmelzzyklen
• Nicht korrosive, ungiftige, nicht brennbare und nicht explosive Materialien ⓘ

Wirtschaftliche Eigenschaften

• Niedrige Kosten
• Verfügbarkeit ⓘ

Thermophysikalische Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien

Zu den wichtigsten thermophysikalischen Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien gehören: Schmelzpunkt (Tm), Schmelzwärme (ΔH_fus), spezifische Wärme (cp) (der festen und flüssigen Phase), Dichte (ρ) (der festen und flüssigen Phase) und Wärmeleitfähigkeit. Daraus lassen sich Werte wie die Volumenänderung und die volumetrische Wärmekapazität berechnen. ⓘ

Technologie, Entwicklung und Verkapselung

Die am häufigsten verwendeten PCMs sind Salzhydrate, Fettsäuren und -ester sowie verschiedene Paraffine (z. B. Octadecan). Kürzlich wurden auch ionische Flüssigkeiten als neue PCMs untersucht. ⓘ

Da die meisten organischen Lösungen wasserfrei sind, können sie der Luft ausgesetzt werden, aber alle PCM-Lösungen auf Salzbasis müssen eingekapselt werden, um die Verdunstung oder Aufnahme von Wasser zu verhindern. Beide Arten bieten bestimmte Vor- und Nachteile, und wenn sie richtig eingesetzt werden, werden einige der Nachteile bei bestimmten Anwendungen zu einem Vorteil. ⓘ

Sie werden seit dem späten 19. Jahrhundert als Medium für die Wärmespeicherung verwendet. Jahrhundert als Wärmespeicher verwendet. Sie wurden in so unterschiedlichen Anwendungen wie dem Kühltransport auf Schiene und Straße eingesetzt, und ihre physikalischen Eigenschaften sind daher gut bekannt. ⓘ

Im Gegensatz zum Eisspeichersystem können PCM-Systeme jedoch mit jeder herkömmlichen Wasserkühlmaschine sowohl für eine neue als auch für eine nachgerüstete Anwendung verwendet werden. Der positive Temperatur-Phasenwechsel erlaubt den Einsatz von Zentrifugal- und Absorptionskältemaschinen ebenso wie von konventionellen Kolben- und Schraubenkühlern oder sogar bei niedrigeren Umgebungsbedingungen unter Verwendung eines Kühlturms oder Trockenkühlers zur Beschickung des TES-Systems. ⓘ

Der Temperaturbereich, den die PCM-Technologie bietet, eröffnet den Ingenieuren in der Gebäude- und Kältetechnik neue Perspektiven für die Energiespeicherung bei mittleren und hohen Temperaturen. Der Anwendungsbereich dieser thermischen Energiespeicherung ist breit gefächert und reicht von der Solarthermie über die Warmwasserbereitung bis hin zur Wärmerückgewinnung (z. B. in Kühltürmen) und der Speicherung von Wärmeenergie in Trockenkühlern. ⓘ

Da sich PCMs bei thermischen Zyklen in einen festen und einen flüssigen Zustand umwandeln, bietet sich die Verkapselung als Speicherform an. ⓘ

• Verkapselung von PCMs
  • Makro-Verkapselung: Die frühe Entwicklung der Makroverkapselung mit großem Volumen scheiterte an der schlechten Wärmeleitfähigkeit der meisten PCMs. PCMs neigen dazu, sich an den Rändern der Behälter zu verfestigen, was eine effektive Wärmeübertragung verhindert.
  • Mikro-Verkapselung: Bei der Mikroverkapselung hingegen gab es dieses Problem nicht. Sie ermöglicht es, die PCMs einfach und kostengünstig in Baumaterialien wie Beton einzubringen. Mikroverkapselte PCM bieten auch ein tragbares Wärmespeichersystem. Indem man ein PCM in mikroskopischer Größe mit einer Schutzschicht überzieht, können die Partikel in einer kontinuierlichen Phase wie Wasser suspendiert werden. Dieses System kann als Phasenwechsel-Slurry (PCS) bezeichnet werden.
  • Die molekulare Verkapselung ist eine weitere, von Dupont de Nemours entwickelte Technologie, die eine sehr hohe Konzentration von PCM in einer Polymerverbindung ermöglicht. Sie ermöglicht eine Speicherkapazität von bis zu 515 kJ/m² für eine 5 mm dicke Platte (103 MJ/m³). Die molekulare Verkapselung ermöglicht das Bohren und Schneiden durch das Material, ohne dass das PCM austritt. ⓘ

Da Phasenwechselmaterialien am besten in kleinen Behältern funktionieren, werden sie normalerweise in Zellen unterteilt. Die Zellen sind flach, um den statischen Druck zu verringern - basierend auf dem Prinzip der flachen Behältergeometrie. Das Verpackungsmaterial sollte die Wärme gut leiten und haltbar genug sein, um häufigen Änderungen des Volumens des Speichermaterials durch Phasenwechsel standzuhalten. Es sollte auch den Durchgang von Wasser durch die Wände einschränken, damit die Materialien nicht austrocknen (oder austrocknen, wenn das Material hygroskopisch ist). Die Verpackung muss außerdem auslauf- und korrosionsbeständig sein. Zu den gängigen Verpackungsmaterialien, die eine chemische Kompatibilität mit PCMs bei Raumtemperatur aufweisen, gehören Edelstahl, Polypropylen und Polyolefin. ⓘ

Nanopartikel wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphit, Graphen, Metall und Metalloxid können in PCM dispergiert werden. Es ist erwähnenswert, dass der Einbau von Nanopartikeln nicht nur die Wärmeleitfähigkeit des PCM verändert, sondern auch andere Eigenschaften wie die latente Wärmekapazität, die Unterkühlung, die Phasenwechseltemperatur und deren Dauer, die Dichte und die Viskosität. Die neue Gruppe von PCMs wird NePCM genannt. NePCMs können zu Metallschäumen hinzugefügt werden, um eine noch besser wärmeleitende Kombination zu schaffen. ⓘ

Thermische Verbundwerkstoffe

Als thermische Verbundwerkstoffe bezeichnet man Kombinationen aus Phasenwechselmaterialien (PCM) und anderen (in der Regel festen) Strukturen. Ein einfaches Beispiel ist ein Kupfergeflecht, das in Paraffinwachs getaucht ist. Das Kupfernetz in Paraffinwachs kann als Verbundwerkstoff betrachtet werden, der als thermischer Verbundstoff bezeichnet wird. Solche hybriden Materialien werden hergestellt, um bestimmte Gesamt- oder Volumeneigenschaften zu erreichen (ein Beispiel ist die Einkapselung von Paraffin in einzelne Siliziumdioxid-Nanokugeln, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und damit die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zu erhöhen). ⓘ

Die Wärmeleitfähigkeit ist eine gängige Eigenschaft, die durch die Schaffung von Wärmeverbunden maximiert werden soll. In diesem Fall besteht der Grundgedanke darin, die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen, indem ein hochleitender Feststoff (wie z. B. Kupfergeflecht oder Graphit) in das relativ niedrig leitende PCM eingebracht wird, wodurch die Gesamt- oder Volumenleitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit) erhöht wird. Wenn das PCM fließen soll, muss der Feststoff porös sein, z. B. ein Netz. ⓘ

Feste Verbundwerkstoffe wie Glasfaser- oder Kevlar-Prepregs für die Luft- und Raumfahrtindustrie bestehen in der Regel aus einer Faser (Kevlar oder Glas) und einer Matrix (dem Klebstoff, der sich verfestigt, um die Fasern zu halten und die Druckfestigkeit zu erhöhen). Ein thermischer Verbundwerkstoff ist nicht so klar definiert, könnte sich aber in ähnlicher Weise auf eine (feste) Matrix und das PCM beziehen, das natürlich je nach den Bedingungen in der Regel flüssig und/oder fest ist. Sie sind auch dazu gedacht, kleinere Elemente in der Erde zu entdecken. ⓘ

Anwendungen

Moderne Latentwärmespeichermaterialien auf Salz- oder Paraffinbasis haben für verschiedene Anwendungen entwickelte physikalische Eigenschaften und sind für nahezu alle Temperaturbereiche erhältlich. Sie finden Einsatz in Warmhalteplatten für die Gastronomie oder auch in der Heizungs- und Baustoffindustrie als wärmepuffernde Baustoffe. ⓘ

Auch in der Fahrzeugtechnik kommen Latentwärmespeicher auf Salz- oder Paraffinbasis zum Einsatz, um beispielsweise überschüssige Motorwärme zu speichern und diese beim Kaltstart freizusetzen. Aktuell werden darüber hinaus Speichersysteme auf Basis von metallischen Phasenwechselmaterialien (mPCM) für die Anwendung in Elektrofahrzeugen entwickelt. Speichersysteme mit hohen Energiedichten bei gleichzeitig herausragendem thermischem Leistungspotential sollen zukünftig die Heizleistung in Elektrofahrzeugen übernehmen. Hierdurch müsste die zum Heizen benötigte Energie nicht aus der Traktionsbatterie entnommen werden, was notwendige Batteriekapazitäten reduzieren könnte bzw. die Reichweite von Elektrofahrzeugen im Winter erhöhen würde. ⓘ

Phase change materials (PCM) finden zudem Anwendung in Funktionstextilien. Diese können dadurch die Körper- oder Umgebungswärme aufnehmen, speichern und wieder abgeben. Damit ermöglichen sie das Abpuffern der Temperatur eines „Wohlfühlbereiches“ nach unten wie oben. ⓘ

Bei Einsatz von Latentwärmespeichern zur Solarwärmespeicherung der Heizenergie für den Winter sind die Investitionen zwar höher, das System spart gegenüber der Nutzung von Wassertanks oder Kies jedoch deutlich Platz und kann wegen der Ausnutzung der Latentwärme gleichmäßiger Wärme abgeben als diese. ⓘ

Ein Rechenbeispiel soll die Größenordnungen verdeutlichen. Zur Beheizung eines gut gedämmten Hauses mit einem Energiebedarf von 100 kWh/(m²·a) und 89 m² Wohnfläche werden 890 Liter Heizöl oder 890 m³ Erdgas benötigt (siehe den Artikel „Heizwert“). Das entspricht einem Jahres-Wärmebedarf von 32 GJ. Um diese Wärmemenge im Sommer durch Solarabsorber zu erzeugen, werden bei angenommenen 100 Sonnentagen und einem Ertrag von 4 kWh/(m²·d) etwa 23 m² Solarabsorberfläche nötig. Um die durch Solarabsorber im Sommer erzeugte Wärmemenge von 32 GJ für den Winter in Form von Latentwärme zu speichern, werden ca. 200 m³ Paraffin in einem Tank benötigt. Im Jahre 2008 sind einzelne, mit Paraffin gefüllte Kleinbehälter in einem Wassertank üblich. Die 200 m³ entsprechen einem Rundtank mit 8 Meter Höhe und einem Durchmesser von gut 5,6 Meter. Mit den in einen solchen Tank passenden ca. 200 m³ Heizöl könnte das gleiche Haus allerdings 225 Jahre lang beheizt werden. ⓘ

In der Abfallverwertungsanlage Augsburg wird seit Januar 2013 im Rahmen eines Modellprojektes ein Teil der bei der Verbrennung entstehenden Abwärme in Containern mit Natriumacetat gespeichert. Diese werden dann mit dem LKW ins nahe Friedberg transportiert, wo die Wärme zur Beheizung eines Schulzentrums verwendet wird. ⓘ

Die Anwendungen im Bauwesen sind zwischenzeitlich sehr vielfältig, beispielsweise in Raumumfassungen. Sie wirken thermisch passiv oder mit wasserdurchflossenen Kunststoff-Kapillarrohrmatten bestückt als thermisch aktive Speicherplatten. Die zeitlichen Leistungsverläufe dieser Speicherplatten können als Einzelelemente betrachtet (z. B. Fußbodenheizungen, Wandheizungen, Kühldecken) sehr detailliert mit numerisch arbeitenden Simulationsmodellen bestimmt werden. Sollen die Speicherplatten zusammen mit dem wärmetechnisch angekoppelten Raum untersucht werden, dann ist eine komplexe Nachbildung mit dem Simulationsmodell zweckmäßig. ⓘ

Ein neuartiges Fassadenelement („Solarwand“) speichert in vier Zentimetern Dicke so viel Wärme wie eine 30 cm dicke Ziegelwand. Tagsüber wird Wärme eingespeichert und das Element hält die Temperatur konstant auf der Schmelztemperatur des PCM, 27 °C. Eine Isolierverglasung hält den größten Teil der Wärme „unter Glas“. Im Sommer verhindert eine Prismenscheibe, dass Sonnenlicht aus einem Winkel über 40° absorbiert wird. ⓘ

Zu den Anwendungen von Phasenwechselmaterialien gehören unter anderem:

• Speicherung von Wärmeenergie, wie z. B. FlexTherm Eco von Flamco.
• Solares Kochen
• Batterie für kalte Energie
• Klimatisierung von Gebäuden, z. B. Eisspeicherung
• Kühlung von Wärme- und Elektromotoren
• Kühlung von: Lebensmitteln, Getränken, Kaffee, Wein, Milchprodukten, Gewächshäusern
• Verzögerung der Eis- und Frostbildung auf Oberflächen
• Medizinische Anwendungen: Bluttransport, Operationstische, Heiß-Kalt-Therapien, Behandlung von ErstickungsanfällenAravind, Indulekha; Kumar, KP Narayana (2015-08-02). "How two low-cost, made-in-India innovations MiraCradle & Embrace Nest are helping save the lives of newborns". timesofindia-economictimes.</ref>
• Kühlung des menschlichen Körpers unter sperriger Kleidung oder Kostümen.
• Rückgewinnung von Abwärme
• Nutzung von Strom in Schwachlastzeiten: Heizung, Warmwasser und Kühlung
• Wärmepumpen-Systeme
• Passive Speicherung in bioklimatischen Gebäuden/Architekturen (HDPE, Paraffin)
• Glättung exothermer Temperaturspitzen bei chemischen Reaktionen
• Solarkraftwerke
• Thermische Systeme für Raumfahrzeuge
• Thermischer Komfort in Fahrzeugen
• Wärmeschutz von elektronischen Geräten
• Wärmeschutz von Lebensmitteln: Transport, Hotelgewerbe, Speiseeis, usw.
• Textilien für die Bekleidung
• Kühlung von Computern
• Turbineneinlasskühlung mit thermischer Energiespeicherung
• Schutzräume für Telekommunikation in tropischen Regionen. Sie schützen die hochwertigen Geräte im Shelter, indem sie die Raumlufttemperatur unter dem zulässigen Höchstwert halten, indem sie die von stromintensiven Geräten wie einem Base Station Subsystem erzeugte Wärme absorbieren. Im Falle eines Stromausfalls bei herkömmlichen Kühlsystemen minimieren PCM den Einsatz von Dieselgeneratoren, was zu enormen Einsparungen an Tausenden von Telekommunikationsstandorten in den Tropen führen kann. ⓘ

Brand- und Sicherheitsaspekte

Einige Phasenwechselmaterialien werden in Wasser suspendiert und sind relativ ungiftig. Andere bestehen aus Kohlenwasserstoffen oder anderen entflammbaren Materialien oder sind giftig. Daher müssen PCMs sehr sorgfältig ausgewählt und eingesetzt werden, und zwar in Übereinstimmung mit den Brand- und Bauvorschriften und einer soliden technischen Praxis. Aufgrund des erhöhten Brandrisikos, der Flammenausbreitung, der Rauchentwicklung, der Explosionsgefahr in Behältern und der Haftung ist es ratsam, entflammbare PCM nicht in Wohngebäuden oder anderen regelmäßig genutzten Gebäuden zu verwenden. Phasenwechselmaterialien werden auch zur Wärmeregulierung in der Elektronik eingesetzt. ⓘ

Funktionsprinzipien

Aggregatzustandübergänge eines Latentwärmespeichers ⓘ

Latentwärmespeicher funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig und umgekehrt (Erstarren-Schmelzen). ⓘ

Beim Aufladen des Inhalts kommerzieller Latentwärmespeicher werden meist spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium geschmolzen, die dabei sehr viel Energie (Schmelzwärme) aufnehmen, wie z. B. Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat. Das Entladen findet beim Erstarren statt, wobei das Speichermedium die zuvor aufgenommene große Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt. ⓘ

Für technische Anwendungen als Latentwärmespeicher ist eine Unterkühlung der Schmelze in der Regel unerwünscht. Daher müssen dem Material geeignete Keimbildner zugesetzt werden, die eine Kristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur bewirken. ⓘ

Wärmekissen

In Wärmekissen wird häufig Natriumacetat-Trihydrat verwendet. Es wird bei einer Schmelztemperatur von 58 °C verflüssigt, was meistens durch das Einlegen der Wärmekissen in kochendes Wasser erreicht wird. Beim Erhitzen muss das Kissen andauernd vollständig von Wasser bedeckt sein (Wasserbad), weil sonst lokal besonders heiß werdendes Salz den Beutel schmelzen lässt. Das Material bleibt auch noch bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes – unter Umständen bis −20 °C – als unterkühlte Schmelze in einem metastabilen Zustand flüssig, da das Salz sich in seinem Kristallwasser löst; die Wassermoleküle bilden eine Art eigenes Kristallgitter, das sich zuerst auflöst. Wird nun ein Metallplättchen (ähnlich dem in einem Knackfrosch) im Wärmekissen gedrückt, löst das die Kristallisation aus. Das Kissen erwärmt sich dabei wieder auf die Schmelztemperatur, wobei die vollständige Kristallisation und damit die Freigabe der latenten Wärme sich über eine längere Zeit erstrecken kann. ⓘ

Als Auslöser für die Kristallisation der übersättigten Lösung kommen in Frage:

• die Druckwelle, die durch das Drücken des Metallplättchens ausgelöst wird,
• die dabei verursachte Freisetzung mikroskopisch kleiner Kristallisationskeime, die sich bei jeder Kristallisation in kleinen Ritzen des Metalls festsetzen.

Ein Problem der Erklärung durch die Druckwelle ist, dass die Kristallisation im Experiment durch Schallwellen, selbst durch Ultraschall, nicht ausgelöst wird. ⓘ

Andere Salzhydrate können ebenfalls verwendet werden, z. B. Glaubersalz mit einem Schmelzpunkt von 32,5 °C, Natriumhydroxid oder Alaun. ⓘ

Merkmale

Der Vorteil dieser Wärmespeichertechnik beruht darauf, in einem kleinen, durch die Schmelztemperatur des eingesetzten Speichermaterials festgelegten Temperaturbereich, viel Wärmeenergie in relativ wenig Masse zu speichern. Beim bloßen Erwärmen des Mediums wird dagegen ein größerer Temperaturbereich benötigt, um vergleichbare Wärmemengen zu speichern. ⓘ

Beim Wärmekissen wird zusätzlich der metastabile Zustand der unterkühlten Lösung genutzt. So kann die Wärme ohne thermische Isolierung und Verluste gespeichert werden. ⓘ

Beispiele

Wasser

So wird beispielsweise beim Erstarren bzw. Gefrieren von Wasser – dem Phasenübergang vom flüssigen Wasser zum festen Eis bei 0 °C – ungefähr so viel Wärme frei, wie zum Erwärmen derselben Menge Wasser von 0 °C auf 80 °C benötigt wird. Die spezifische Phasenumwandlungsenthalpie ist also im Vergleich zur spezifischen Wärmekapazität relativ hoch (für Wasser: Schmelzenthalpie 334 kJ/kg, spezifische Wärmekapazität ca. 4,19 kJ/(kg·K)), wodurch die Energiedichte erheblich größer ist als bei Warmwasserspeichern. In Kombination mit einer Wärmepumpe ermöglicht ein Wasser-Latentwärmespeicher die Bereitstellung von Wärme zum Verdampfen des Kältemittels, insbesondere während der Heizperiode. ⓘ

Paraffin

Die nutzbare Wärmemenge hängt von der maximalen und minimalen nutzbaren Arbeitstemperatur ab. Sie besteht aus zwei Komponenten:

• der spezifischen Wärme, multipliziert mit der Temperaturdifferenz
• der Wärmemenge, die bei Phasenübergängen im nutzbaren Temperaturbereich frei wird.

Wasser ist mit einer Schmelztemperatur von 0 °C ungeeignet, weil diese nicht im Arbeitsbereich liegt. ⓘ

Daher ist man auf Stoffe mit Schmelztemperaturen zwischen 40 °C und 70 °C und mit hoher Schmelzwärme angewiesen. Daher ist Hartparaffin mit einer Schmelztemperatur von etwa 60 °C und einer Schmelzenthalpie zwischen etwa 200 und 240 kJ/kg (Wasser: 333 kJ/kg) gut geeignet. Die Wärmeerzeugung beim Erstarren ist etwa ein Drittel geringer als die von Wasser, dafür liegt sie aber im Nutzbereich. ⓘ

Metalle

Die latente Wärmespeicherung auf Hochtemperatur-Niveau kann beispielsweise in Metallen realisiert werden. Ein Beispiel für ein metallisches Phasenwechselmaterial (englisch metallic Phase Change Material, mPCM) ist eine Aluminium-Silicium-Legierung mit einer Schmelztemperatur von 577 °C. Da der Bereich der nutzbaren Arbeitstemperatur bei der Hochtemperatur-Speicherung größer ist, kann mehr thermische Energie im sensiblen Bereich gespeichert werden. Aber auch die spezifische Schmelzenthalpie ist bei diesem Material mit hoher Schmelztemperatur größer als bei Wasser oder Paraffinen (Aluminium-Silicium: 560 kJ/kg). ⓘ

Chemische Wärmespeicher

Einem ähnlichen Prinzip folgt die Ausnutzung der Enthalpie reversibler chemischer Reaktionen, so zum Beispiel von auf Chemisorption beruhenden Absorptions- und Desorptionsprozessen. Das geschieht in sogenannten thermochemischen Wärmespeichern, die eine noch höhere Energiedichte ermöglichen. ⓘ

Patente

• Patent US2114396: Heating pad. Veröffentlicht am 19. April 1938, Erfinder: Roland Lyman McFarlan, Neck Marblehead, John Bowles.
• Patent US2118586A: Thermophoric composition. Veröffentlicht am 24. Mai 1938, Erfinder: John Bowles, Roland Lyman McFarlan (C09K5/06).
• Patent DE2917192A1: Mehrfach verwendbares Wärmekissen. Veröffentlicht am 6. November 1980, Erfinder: Gustaf Arrhenius (A61 F7/03, C09K5/06). ⓘ