Kristallspeicher (Latentspeicher)

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Kristallspeicher (Latentspeicher)

Gliederung -Einleitung -Anforderungen an
Kristallspeicher -Verschiedene Arten und
Speichermaterialien -Probleme im Einsatz von
Kristallspeichern -Modellversuch -Erklärung des
Funktionsprinzips -Verschiedene
Anwendungsbereiche
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Einleitung
in das Thema Durch den steigenden Anteil
regenerativer Energien an der Energieversorgung
nimmt auch der Bedarf an leistungsfähigen Wärmesp
eichern immer mehr zu. Zugleich steigt die
Nachfrage nach Speichern mit hoher
Energiedichte, welche kleinere Bauvolumina ermögl
ichen. Herkömmliche sensible Schichtspeicher für
Warmwasser eignen sich hierfür nicht oder nur
sehr bedingt. Die Technologie der Latenten
(lat. lateoversteckt verborgen) thermischen
Speicher (PCMphase 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.
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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 70C
und 80C 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.
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• 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.

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

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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.
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Erythritol
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Salzhydrate
Für einen Temperaturbereich zwischen 0C und
130C 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
CaCl26H2O Calciumchlorid-Hexahydrat 27C
Na2SO410H2O Natriumsulfat Heptahydrat 32C
Na2HPO412H2O Natriummonohydrogenphosphat 35C
Na2S2O35H2O Natriumthiosulfat-Pentahydrat 48C
NaCH3COO3H2O Natriumacetat-Trihydrat 58C
Mg(NO3)26H2O/Li(NO3) Magnesiumnitrat-Hexahydrat 72C
Ba(OH)28H2O Bariumhydroxid 78C
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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 CaCl26H2O
soll das Phänomen in einer Graphik verdeutlicht
werden.
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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, CH3COONa3H2O (Xi) zugeben und den
Kolben mit einem dicken Wattebausch
verschließen. Das Salz-Wasser-Gemisch kurz
aufkochen, wenn alles Salz gelöst ist, die
Lösung auf 20C 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!
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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.
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• 
  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 20C und einer kurzen
Fahrstrecke zum Supermarkt.
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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 .
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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.
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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.
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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
80-90C, da das Essen heiß bleibt aber nicht mehr
weitergekocht wird.
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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.
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Textilien
Mikroverkapselte PCMs 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.
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Danke für eure
Aufmerksamkeit
Fragen?