Kristallspeicher (Latentspeicher) Gliederung -Einleitung -Anforderungen an Kristallspeicher -Verschiedene Arten und Speichermaterialien -Probleme im Einsatz von Kristallspeichern -Modellversuch -Erklärung des Funktionsprinzips -Verschiedene Anwendungsbereiche

Einleitung in das Thema Durch den steigenden Anteil regenerativer Energien an der Energieversorgung nimmt auch der Bedarf an leistungsfähigen Wärmespeichern immer mehr zu. Zugleich steigt die Nachfrage nach Speichern mit hoher Energiedichte, welche kleinere Bauvolumina ermöglichen. Herkömmliche sensible Schichtspeicher für Warmwasser eignen sich hierfür nicht oder nur sehr bedingt. Die Technologie der Latenten (lat. lateo:versteckt verborgen) thermischen Speicher (PCM:phase change material), wie sie in Einfachen Handwärmern eingesetzt wird, soll nun auch in größeren Hochleistungsspeichern Einzug halten. Ein wesentlicher Vorteil hierbei: eine bis zu dreimal höhere volumetrische Energiedichte.

Im Vergleich zu dem „sensiblen“ Speichermedium Wasser kann ein PCM bei nur geringer Temperaturänderung in einem bestimmten (höheren) Temperaturbereich wesentlich größere Wärmemengen aufnehmen. Das PCM 72 von Merck nimmt beispielsweise im Temperaturbereich zwischen 70°C und 80°C viermal mehr Wärme auf als Wasser und sogar zehnmal mehr als Steine oder Ziegel. Allerdings gilt dies nur für den genannten Temperaturbereich, denn am Gefrierpunkt beispielsweise ist das Wasser das bessere PCM. Es ist also nicht jeder Stoff in jedem Temperaturbereich als PCM geeignet bzw. anwendbar. Je nach Anwendungsgebiet muss demnach das PCM auch auf die speziell herrschenden Temperaturen und Anwendungen abgestimmt werden. Zudem gibt es weitere Anforderungen, die von einem Material erfüllt werden müssen, damit es als wirksames PCM eingesetzt werden kann. kann im vergleich zu wasser bei geringerer temp. Änderung wesentlich größere wärme menge aufnehemen. z.b merck 72 zwischen 70 und 80 grad viermal mehr wärme als wasser Jedoch nur in dem temp. Bereich Aus diesem grund muss das PCM auf den jeweiligen temp bereich abgestimmt werden.

Hier einmal dargestellt wie der temperatur anstiegt verläuft Hier einmal dargestellt wie der temperatur anstiegt verläuft...blau wasser....rot pcm

Anforderungen an das PCM (phase change material Das PCM muss den jeweilige Anwendung passenden Schmelzpunkt haben. Das PCM sollte eine möglichst große spezifische Schmelzwärme besitzen. Das PCM sollte eine möglichst große spezifische Wärmekapazität besitzen. Das PCM sollte Wärme gut leiten (schnell aufnehmen und schnell abgeben). Das PCM sollte beim Phasenübergang sein Volumen, bzw. seine Dichte möglichst wenig ändern. Das PCM muss sowohl chemisch als auch physikalisch im Wärmeübertragungsprozess stabil bleiben. Es sollte umweltverträglich und ungiftig sein. Das PCM muss den jeweilige Anwendung passenden Schmelzpunkt haben. Das PCM sollte eine möglichst große spezifische Schmelzwärme besitzen. Das PCM sollte eine möglichst große spezifische Wärmekapazität besitzen. Das PCM sollte Wärme gut leiten (schnell aufnehmen und schnell abgeben). Das PCM sollte beim Phasenübergang sein Volumen, bzw. seine Dichte möglichst wenig ändern. Das PCM muss sowohl chemisch als auch physikalisch im Wärmeübertragungsprozess stabil bleiben. Es sollte umweltverträglich und ungiftig sein

Arten von PCMs Eutektische Wasser-Salz-Lösungen Organische PCMs Salzhydrate

Organische PCMs Paraffine (langkettige Kohlenwasserstoffe) zählen zur Gruppe der organischen PCMs. Bei dieser Art gibt es nur sehr wenige technische Probleme, da Paraffine nur auf einem einzigen Stoff basieren, der sich auch nicht separieren kann. Somit ist die wichtige Voraussetzung der Zyklenstabilität gewährleistet. Auch von der chemischen Seite her betrachtet, sind Paraffine gut geeignet, da sie weder toxisch noch besonders reaktionsfreudig sind. Ebenso findet auch keine Korrosion an Metallen statt. Allerdings weisen Paraffine auch einige Nachteile auf. Da sie nur sehr niedrige Schmelzenthalpien von 200 kJ/kg bei Dichten zwischen 0,7 bis 0,9 kg/L aufweisen, liegt die volumenspezifische Schmelzenthalpie unter 200kJ/l. Der Anwendungsbereich beschränkt sich somit auf eher geringe Wärmemengen. Andere Zuckeralkohole erreichen größere Energiedichten. Deren Schmelzpunkte liegen bei Temperaturen, die höher sind als der Siedepunkt des Wassers, also sehr interessant für die Technik. Solche PCMs können dann in Bereichen eingesetzt werden, bei denen größere Wärmemengen aufgenommen werden müssen. Paraffine sind organische PCM´s Bei dieser art gibt es nur sehr wenig technische probleme Denn da sie nur aus einem stoff bestehen der sich nicht separieren kann sind sie zyklenstabil was sehr wichtig ist. Außerdem sind sie gut geignet weil sie nicht toxisch oder besonders reaktionsfreudig sind Und sie korrodieren keine metalle Die nachteile sind z.b die durch die geringe schmelzenthalphie bedingte ,geringe wärme aufnahme Deshalb sind sie nur für bereiche geeignet in denen nur eine geringe wärme aufgenommen werden muss Ander die zuckeralkohole ihr schmelzpunkt liegt über dem von wasser und sie haben eine große energiedichte deshalb können sie sehr gut dort eingesetzt werden wo viel wärme aufgenommen werden muss.

Erythritol

48°C 58°C 78°C Salzhydrate Salzhydrat Schmelztemperatur 27°C 32°C 35°C Für einen Temperaturbereich zwischen 0°C und 130°C werden die Salzhydrate den Paraffinen und Salz-Wasser- Lösungen vorgezogen. Ihre Schmelzenthalpien unterscheiden sich zwar nur geringfügig von denen der Paraffine, jedoch besitzen sie höhere Dichten (1,4 bis 1,6 kg/l). Deshalb vergrößert sich auch die Energiedichte. Die bekanntesten und auch kostengünstigsten Salzhydrate sind in folgender Tabelle aufgeführt: Salzhydrat Schmelztemperatur CaCl2•6H2O Calciumchlorid-Hexahydrat 27°C Na2SO4•10H2O Natriumsulfat Heptahydrat 32°C Na2HPO4•12H2O Natriummonohydrogenphosphat 35°C Na2S2O3•5H2O Natriumthiosulfat-Pentahydrat 48°C NaCH3COO•3H2O Natriumacetat-Trihydrat 58°C Mg(NO3)2•6H2O/Li(NO3)* Magnesiumnitrat-Hexahydrat 72°C Ba(OH)2•8H2O Bariumhydroxid 78°C Für einen Temperaturbereich zwischen 0°C und 130°C werden die Salzhydrate den Paraffinen und Salz-Wasser- Lösungen vorgezogen. Ihre Schmelzenthalpien unterscheiden sich zwar nur geringfügig von denen der Paraffine, jedoch besitzen sie höhere Dichten (1,4 bis 1,6 kg/l). Deshalb vergrößert sich auch die Energiedichte. Die bekanntesten und auch kostengünstigsten Salzhydrate sind in folgender Tabelle aufgeführt:

Probleme im Einsatz von PCMs Bis auf das mit * markierte Salzhydrat in Tabelle 1 haben alle dort aufgelisteten Stoffe einen entscheidenden Nachteil: sie schmelzen inkongruent und die Schmelzprodukte trennen sich auf Grund der verschiedenen Dichte räumlich voneinander. Eine Verfestigung der Substanzen vollzieht sich meist nur unvollständig. Am Beispiel von CaCl2•6H2O soll das Phänomen in einer Graphik verdeutlicht werden. Bis auf das mit * markierte Salzhydrat in Tabelle 1 haben alle dort aufgelisteten Stoffe einen entscheidenden Nachteil: sie schmelzen inkongruent und die Schmelzprodukte trennen sich auf Grund der verschiedenen Dichte räumlich voneinander. Eine Verfestigung der Substanzen vollzieht sich meist nur unvollständig. Am Beispiel von CaCl2•6H2O soll das Phänomen in einer Graphik verdeutlicht werden.

Modellversuch am beispiel von Natriumacetat Trihydrat Benötigt wird: - Weithals-Erlernmeyerkolben (500ml) oder Becherglas - 50ml wasser -Thermometer -500g Natriumacetat-Trihydrat CH3COONa · 3 H2O. -Wattebausch -Kochplatte In einen 500 ml Erlenmeyerkolben 50 ml Wasser geben und ein Thermometer hineinstellen. Dann 500g frisches (!), sonst bildet sich Hydratwasser, CH3COONa•3H2O (Xi) zugeben und den Kolben mit einem dicken Wattebausch verschließen. Das Salz-Wasser-Gemisch kurz aufkochen, wenn alles Salz gelöst ist, die Lösung auf 20°C abkühlen lassen. Dabei darf das Glas nicht angestoßen werden, somit bleibt der metastabile Zustand erhalten. Sobald es abgekühlt ist das Salz-wasser-Gemisch „Anstoßen“ und Beobachten was passiert. Gegebenenfalls ein Temperatur-Zeit-Diagramm erstellen!

Die Erklärung Auch die Latentwärmespeicherkissen enthalten Natriumacetat-Trihydrat CH3COONa · 3 H2O. Dieses liegt im "geladenen Zustand" in einer übersättigten Lösung vor. Bei vorsichtiger Handhabung bleibt die Kristallisation des Salzes über einen weiten Temperaturbereich aus. Man kann den Zustand tagelang erhalten. Erst durch "Anstoßen" wird der Zustand gestört; das Natriumacetat-Trihydrat kristallisiert schlagartig aus und gibt die im System gespeicherte Wärme ("latente Wärme") frei. Diesen scheintoten Zustand nennt man "metastabil". Die Ionen bauen zunächst das Ionengitter auf. Simultan nehmen Wassermoleküle in den Zwischenräumen des Ionengitters festgelegte Plätze ein, wobei sie auch noch ihre Dipole exakt ausrichten. Die Wassermoleküle bilden sozusagen ein Gitter im Kristallgitter. Die Anzahl der Wassermoleküle pro Formeleinheit ist genau definiert. In unserem Beispiel sind es drei. Die Erklärung Auch die Latentwärmespeicherkissen enthalten Natriumacetat-Trihydrat CH3COONa · 3 H2O. Dieses liegt im "geladenen Zustand" in einer übersättigten Lösung vor. Bei vorsichtiger Handhabung bleibt die Kristallisation des Salzes über einen weiten Temperaturbereich aus. Man kann den Zustand tagelang erhalten. Erst durch "Anstoßen" wird der Zustand gestört; das Natriumacetat-Trihydrat kristallisiert schlagartig aus und gibt die im System gespeicherte Wärme ("latente Wärme") frei. Diesen scheintoten Zustand nennt man "metastabil". CH3COO¯ (aq.) + Na+ (aq.) ———> CH3COONa · 3 H2O (fest) /exotherm Die Ionen bauen zunächst das Ionengitter auf. Simultan nehmen Wassermoleküle in den Zwischenräumen des Ionengitters festgelegte Plätze ein, wobei sie auch noch ihre Dipole exakt ausrichten. Die Wassermoleküle bilden sozusagen ein Gitter im Kristallgitter. Die Anzahl der Wassermoleküle pro Formeleinheit ist genau definiert. In unserem Beispiel sind es drei.

Anwendungsbereiche und Zukunft Automobil Das PCM 72 findet schon heute in einem Latentwärmespeicher im BMW der 5er Reihe (als Sonderausstattung) seine Verwendung. Das Funktionsprinzip ist folgendermaßen: Der Latentwärmespeicher ist in den Kühlwasserkreislauf eingebunden und wird mit der Abwärme des Motors beladen, wenn dieser auf Betriebstemperatur ist. Beim nächsten Kaltstart steht die gespeicherte Wärme zum schnellen Aufheizen des Motors (reduziert den Benzinverbrauch) und der Fahrgastzelle (Komfort & Sicherheit) zu Verfügung. Eine ausreichend gute Isolierung des Speichers gewährleistet die Speicherung der Wärme über zwei Tage hinweg – sogar bei einer Außentemperatur von –20°C – und einer kurzen Fahrstrecke zum Supermarkt. Das PCM 72 findet schon heute in einem Latentwärmespeicher im 5er BMW (als Sonderausstattung) seine Verwendung. Das Funktionsprinzip ist folgendermaßen: Der Latentwärmespeicher ist in den Kühlwasserkreislauf eingebunden und wird mit der Abwärme des Motors beladen, wenn dieser auf Betriebstemperatur ist. Beim nächsten Kaltstart steht die gespeicherte Wärme zum schnellen Aufheizen des Motors (reduziert den Benzinverbrauch) und der Fahrgastzelle (Komfort & Sicherheit) zu Verfügung. Eine ausreichend gute Isolierung des Speichers gewährleistet die Speicherung der Wärme über zwei Tage hinweg – sogar bei einer Außentemperatur von –20°C – und einer kurzen Fahrstrecke zum Supermarkt.

Baumaterialien Die Temperatur in Häusern soll sowohl im Sommer, als auch im Winter angenehm reguliert sein. Die mittlerweile etablierte Leichtbauweise erfordert allerdings Maßnahmen, um das gleiche Resultat zu erzielen wie in Massiv gebauten Häusern. Deshalb hat man PCMs in Baumaterialien eingelassen, so dass diese die gleichen Eigenschaften, wie massive Wände aufweisen. Durch Sonneneinstrahlung werden die PCMs „geladen“ und sie geben diese Wärme wieder ab, sobald die Temperaturen in der Nacht fallen. So kann auf eine zusätzliche Klimatisierung meistens ganz verzichtet werden . Im sommer und winter soll die tem im Haus gleich bleiben, Die mittlerweile etablierte Leichtbauweise erfordert allerdings Maßnahmen, um das gleiche Resultat zu erzielen wie in Massiv gebauten Häusern. Deshalb hat man PCMs in Baumaterialien eingelassen, so dass diese die gleichen Eigenschaften, wie massive Wände aufweisen. Durch Sonneneinstrahlung werden die PCMs „geladen“ und sie geben diese Wärme wieder ab, sobald die Temperaturen in der Nacht fallen. So kann auf eine zusätzliche Klimatisierung meistens ganz verzichtet werden . Bei dieser art kann man das kristallisieren nicht steuern...es erstarrt einfach wenn es seinen schmelzpunkt erreicht hat und und hält dann eine zeit lang diese wärme

Fußbodenheizung Rubitherm® hat mit dem PCM GR 40 ein völlig neues Speichersystem erschaffen. Durch die Nutzung der Schmelzwärme des Paraffins (mikroverkapselt) kann man bis zu 50% der Schichtdicke des Estrichs einsparen. Zudem sorgt das Paraffin für eine höhere Temperaturkonstanz im Fußboden und schützt somit auch vor einer Überhitzung im Registerbereich, bzw. an der Fußbodenoberfläche. Durch den dünnen Aufbau ist es nun auch für den nachträglichen Einsatz in älteren Häusern einsetzbar. Durch die trockene Verarbeitung entfällt auch die sonst übliche Trocknungszeit des Estrichs von 6-8 Wochen. Rubitherm® hat mit dem PCM GR 40 ein völlig neues Speichersystem erschaffen. Durch die Nutzung der Schmelzwärme des Paraffins (mikroverkapselt) kann man bis zu 50% der Schichtdicke des Estrichs einsparen. Zudem sorgt das Paraffin für eine höhere Temperaturkonstanz im Fußboden und schützt somit auch vor einer Überhitzung im Registerbereich, bzw. an der Fußbodenoberfläche. Durch den dünnen Aufbau ist es nun auch für den nachträglichen Einsatz in älteren Häusern einsetzbar. Durch die trockene Verarbeitung entfällt auch die sonst übliche Trocknungszeit des Estrichs von 6-8 Wochen.

Heizung und Warmwasser Da die Sonnenstrahlung nicht immer für Solaranlagen zur Verfügung steht, muss die „Überschussproduktion“ an Wärme für Heizung oder Warmwasser zwischengespeichert werden. Normalerweise kommen hier Wasserspeicher zum Einsatz, jedoch bieten Latentwärmespeicher ein geringeres Volumen sowie einen höheren Wirkungsgrad wegen der geringeren Temperaturdifferenz zwischen Be- und Entladung des Speichers. Da die Sonnenstrahlung nicht immer für Solaranlagen zur Verfügung steht, muss die „Überschussproduktion“ an Wärme für Heizung oder Warmwasser zwischengespeichert werden. Normalerweise kommen hier Wasserspeicher zum Einsatz, jedoch bieten Latentwärmespeicher ein geringeres Volumen sowie einen höheren Wirkungsgrad wegen der geringeren Temperaturdifferenz zwischen Be- und Entladung des Speichers.

Gastronomie (Speisen Warmhalten) Weil elektrische Heizsysteme nicht immer eingesetzt werden können, bieten sich auch hier Heizelemente auf PCM-Basis an. Der Schmelzpunkt des PCM ist auf die Temperatur definiert, auf der die Speisen gehalten werden sollen. Optimal sind 80-90°C, da das Essen heiß bleibt aber nicht mehr weitergekocht wird. Weil elektrische Heizsysteme nicht immer eingesetzt werden können, bieten sich auch hier Heizelemente auf PCM-Basis an. Der Schmelzpunkt des PCM ist auf die Temperatur definiert, auf der die Speisen gehalten werden sollen. Optimal sind 80-90°C, da das Essen heiß bleibt aber nicht mehr weitergekocht wird.

Elektronik Elektronische Bauteile sind empfindlich gegen Überhitzung, was letztlich die Lebensdauer und Funktionsfähigkeit dieser beeinträchtigt. Bislang wurden Wärmeleitbleche in Verbindung mit Lüftern zur Kühlung verwendet. Eine Vielzahl von Teilen, die ebenfalls ausfallen können. Der Ersatz durch PCMs dagegen verspricht Zuverlässigkeit, weil weder Motoren noch Temperaturfühler gebraucht werden. Zwischen den Wärmepeaks kann sich das Speichersystem durch Abgabe der Wärme über Kühlrippen entladen. Diese Art der Kühlung ist zudem wesentlich kleiner dimensioniert, als die herkömmlichen Kühlsysteme. Auch hier gebt es jedoch Anwendungsgrenzen. Bei Hochleistungsrechnern, die rund um die Uhr im Einsatz sind, gibt es keine Erholungsphasen, in denen die Wärme abgegeben werden kann. Das PCM würde ständig beladen werden, ohne dass es sich anschließend entladen kann. Elektronische Bauteile sind empfindlich gegen Überhitzung,wodurch sie kaputt gehn könnten.. Bislang wurden Wärmeleitbleche in Verbindung mit Lüftern zur Kühlung verwendet. die ebenfalls ausfallen könnten. Der Ersatz durch PCMs dagegen verspricht Zuverlässigkeit, weil weder Motoren noch Temperaturfühler gebraucht werden. Zwischen den Wärmepeaks kann sich das Speichersystem durch Abgabe der Wärme über Kühlrippen entladen. Diese Art der Kühlung ist zudem wesentlich kleiner dimensioniert, als die herkömmlichen Kühlsysteme. Auch hier gebt es jedoch Anwendungsgrenzen. Bei Hochleistungsrechnern, die rund um die Uhr im Einsatz sind, gibt es keine Erholungsphasen, in denen die Wärme abgegeben werden kann. Das PCM würde ständig beladen werden, ohne dass es sich anschließend entladen kann.

Textilien Mikroverkapselte PCM´s werden direkt in Gewebe eingebracht, die zur Herstellung von Funktionsbekleidungen verwendet werden. Diese Bekleidung ist in der Lage überschüssige Körperwärme aufzunehmen und diese bei kälteren Umgebungstemperaturen wieder abzugeben. Inzwischen setzen bereits viele Firmen das Latentspeichergewebe der Firma Outlast Technologies, Inc. ein. Die Produktpalette der latentwärmespeicherhaltigen Textilien reicht von Oberbekleidung über Westen, Unterwäsche, Socken, Schuhe bis hin zu Bettwäsche. Mikroverkapselte PCM´s werden direkt in Gewebe eingebracht, die zur Herstellung von Funktionsbekleidungen verwendet werden. Diese Bekleidung ist in der Lage überschüssige Körperwärme aufzunehmen und diese bei kälteren Umgebungstemperaturen wieder abzugeben. Inzwischen setzen bereits viele Firmen das Latentspeichergewebe der Firma Outlast Technologies, Inc. ein. Die Produktpalette der latentwärmespeicherhaltigen Textilien reicht von Oberbekleidung über Westen, Unterwäsche, Socken, Schuhe bis hin zu Bettwäsche.

Danke für eure Aufmerksamkeit Fragen?