Latentwämespeicher

1. Grundlagen / Aufbau

Für Latentwärmespeicher werden spezielle Phasenwechselmaterialien (PCM, engl. Phase Change Material) benötigt. Diese Stoffe, meist Salze oder Paraffine, nutzen die Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustands-änderungen für die Speicherung von Wärme. Die in den Stoffen gespeicherte thermische Energie äußert sich nicht durch eine Temperaturänderung, sondern durch die Änderung des Aggregatzustandes. Meist wird hierfür der Phasenübergang fest-flüssig genutzt. /Mehling/

2. Speichermaterial

Mit der Wahl des Speichermediums wird auch die Temperatur des Phasenwechsels festgelegt. Da dieses speziell auf jeden Anwendungsfall abgestimmt werden muss, gibt es eine Vielzahl an verschiedenen Materialien. Sie lassen sich hauptsächlich in die Gruppen der organischen und anorganischen Speichermedien unterteilen. Zurzeit sind über 50 Latentwärmespeichermaterialien im Temperaturbereich von -30 °C bis 1000 °C verfügbar. Für die Speicherung im Bereich 5 °C bis 150 °C werden vorwiegend Paraffine, Salzhydrate und eutektische Mischungen von Salzhydraten eingesetzt. Bei höheren Temperaturen wird auf (Erd-)Alkalisalze oder Gashydrate zurückgegriffen. /AEE/, /Mehling/, /Schlossig/

3. Be- und Entladung

Soll der Wärmespeicher aufgeladen werden, muss Wärme oberhalb der Phasenwechseltemperatur durch einen integrierten, innenliegenden Wärmetauscher zugeführt werden. Die Energie wird durch den Wechsel des Aggregatzustandes von fest zu flüssig aufgenommen und in dem Speichermedium „fixiert“. Beim Entladen wird dann Wärme unterhalb dieser Temperatur bereitgestellt. Der Phasenwechsel verläuft dabei annähernd isotherm. Zusammenfassend ergeben sich zwei Hauptvorteile:

• durch geringe Temperaturänderung lassen sich verhältnismäßig große Wärmemengen speichern und somit hohe Leistungsdichten erzielen.
• durch den isotherm verlaufenden Phasenwechsel, lassen sich über einen gewissen Zeitraum Temperaturschwankungen ausgleichen.

4. Größe

Latentwärmespeicher werden derzeit hauptsächlich in einem relativ kleinen Maßstab gebaut. Dabei reicht die Spanne von einigen m³ bis maximal 100 m³. /AEE/

5. Anforderungen / Einsatzbedingungen

Bei der Konstruktion solcher Speicher ist neben der chemischen Verträg-lichkeit der zueinander in Kontakt stehenden Materialien, auch auf die Gestaltung des integrierten Wärmetauschers zu achten. Dieser muss so ausgeführt sein, dass die erforderliche Leistungsdichte erreicht werden kann. Die Optimierung des Wärmetauschers hat daher einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage. /Steinmann/

6. Kosten / Wirtschaftlichkeit

Die Kosten für Gesamtanlagen werden hauptsächlich von der Temperatur, dem Druckniveau, der Leistungsdichte und der Speicherkapazität bestimmt. Die aktuellen Investitionskosten liegen im Bereich von 100 - 200 EUR/kWh. Als mittelfristiges Ziel werden <100 EUR/kWh angestrebt. Die Amortisationszeit wird von der Häufigkeit der Be- und Entladung bestimmt, da die eingesparte Energie von der Anzahl der Zyklen abhängt. /AEE/, /Mehling/, /Schölkopf/ In naher Zukunft wird die Entwicklung dieser Hochleistungsmaterialien noch weiter voranschreiten. Es werden Energiedichten bis zu 200 kWh pro m³ angestrebt, welche die kommerziellen Einsatzgebiete noch weiter ausweiten. /AEE/

7. Technische Reife

Im kleinen Maßstab werden diese Produkte bereits in vielen Anwendungen eingesetzt und sind kommerziell verfügbar. Für eine großtechnische Verwendung ist dieser Speichertyp noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Eine praxisnahe Erprobung wird vor allem in Kombination mit Solarkollektoren durchgeführt. Die Wechselbeständigkeit der PCMs wird immer wieder als Schwachstelle dieser Technologie benannt. In Laborversuchen wurde die Beständigkeit einiger PCMs durch mehr als 500 Lade- bzw. Entladezyklen bestätigt. Für den kommerziellen Betrieb können solche Werte teilweise schon ausreichend sein. /AEE/

8. Nutzungssektor

In den vergangenen 10 Jahren wurde die Kommerzialisierung von Latentwärmespeichern stark vorangetrieben. Im spanischen Forschungszen-trum in Almeria wurden 2007 erstmals Versuche mit Salzschmelzen und darin eingelassenen Graphit-Platten gemacht. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse lassen sich beispielsweise in solarthermischen Kraftwerken oder in Biogasanlagen nutzen, um diskontinuierlich verfügbare Wärme zu speichern und als kontinuierlichen Wärmestrom wieder abzugeben. /AEE/, /BLU/