Die Grundlage für Latentwärmespeicher sind Phasenwechselmaterialien ([phase change
material]
PCM - Latentwärmematerial), die zur Wärme- und Kältespeicherung und zur Begrenzung von Temperaturspitzen
(Überhitzungsschutz) eingesetzt werden. Durch die Nutzung des Phasenwechsels (fest-flüssig oder flüssig-fest) verfügt das Material über ein hohes
Speichervolumen, da die Wärmekapazität um ein vielfaches höher ist als herkömmliche Materialien bzw. Medien. |
Eine typische Eigenschaft von PCM ist die hohe Speicherdichte bei geringer
Temperaturdifferenz. In Gebäuden lassen sich durch den Einsatz von PCM-Systemen
• Temperaturen puffern (z. B. in dynamisch wärmebelasteten Räumen eine passive Kühlwirkung erzeugen)
• die Anlagenfunktionen von Heiz-/Kühlsystemen verbessern
• Wirkungsgrade von konventionellen Heiz-/Kühlsystemen verbessern
• Lastspitzen verschieben bzw. glätten.
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| Die
PCM's werden aus Salzen
(z.B. Glaubersalz, Natriumacetat) oder organischen
Verbindungen (z.B. Paraffine, Fettsäuren)
hergestellt. |
Die
thermische Energie kann bei
einer festgelegten Temperatur zeitversetzt
entnommen werden. Dadurch ergeben
sich viele verschiedene Einsatzmöglichkeiten: |
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Latentwärmespeicher
haben die Eigenschaft, zusätzlich zur sensiblen
Wärme (fühlbare Wärme)
auch latente Wärme (aufgenommene
oder abgegebene Wärme) zu speichern (und
abzugeben), die durch die Wärmekapazität
im Phasenwechsel des Speichermaterials
(Wasser, wässrige Salzlösung, Parafin,
Salzhydrat) bestimmt wird. |
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•
Wasser ist der bekannteste Stoff für
Latentwärmespeicherung, bei dem der Phasenwechsel
von fest auf flüssig
bei 0°C erfolgt. Mit
der Wärme, die notwendig ist um 1 kg Eis
zu schmelzen, kann anschließend
die gleiche Menge Wasser auf 80 °C erhitzt
werden.
• Paraffin schmilzt z.
B. bei 55 °C. Die "Wärmeparaffine"
(Bereich von 20 - 90 °C) haben eine spezifische
Wärmekapazität von ca. 2,1
kJ/(kg·K) und Wasser von 4,185 kJ/(kg·K).
Trotzdem kann das Parafin, wenn die latente
Phase eintritt, deutlich mehr
Wärme speichern und das in einem
nutzbaren Temperaturniveau.
• Bei den Salzhydrate
ist der Phasenwechsel ein chemischer
Vorgang, also kein
rein physikalischer Vorgang.
Obwohl die Schmelztemperaturen
von Salzhydraten etwa im gleichen Bereich wie
die der Paraffine liegen, ist die Wärme,
die aufgenommen und wieder
abgegeben werden kann, deutlich
größer.
• Wässrigen
Salzlösungen (Lithium- oder Calciumchlorid)
werden in Adsorptions-
bzw. Absorptionsspeicher eingesetzt.
Bei der Klimatisierung von
Gebäuden wird die Zuluft
mit konzentrierter Salzlösung entfeuchtet.
Die trockene Luft wird im Zuluftsystem gezielt
wieder befeuchtet und kühlt durch die Verdunstungskälte
ab. Die bei dem Prozess verdünnte Salzlösung
kann durch Wärmezufuhr – beispielsweise
aus Solaranlagen – wieder aufkonzentriert
und kann beliebig lange gelagert werden. |
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Die
Beladung des Speichers
findet eigenaktiv statt. Die Entladung
des Speichermaterials kann durch die natürliche
Luftbewegung, durch eine mechanische
Lüftung oder durch regenerative
oder konventionelle Kühlkonzepte
erfolgen. |
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| Wirkungsweise
der Latentwärmespeicherung |
| Quelle:
BASF SE |
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Optimierungspotenziale bei PCM-haltigem Estrich?
Das Konzept klingt vielversprechend, wird aber nach einer Forschungstudie (Rolf Gross, Universität Kassel) als ernüchternd bezeichnet.
Ein Energiespeicherhaus mit Wärmepumpe in Kombination mit einer PV-Anlage (65 m2,
mit Batterie) soll mit möglichst wenig Netzstrom auskommen. Dazu wurde dem Estrich das Phasenwechselmaterial "Micronal" zugesetzt (aus
Festigkeitsgründen nur etwa 5 % Massenanteil). Auf zwei Stockwerken konnte so eine zusätzliche Energiespeicherkapazität von 9,5 kWh im Erdgeschoss und von
10,5 kWh im Obergeschoss geschaffen werden.
Die Strategie ist, nachts die Laufzeiten der Wärmepumpe zu reduzieren und energieintensive Haushaltsgeräte möglichst nur dann zu betreiben, wenn
regenerative Energie vom PV-Dach zur Verfügung steht. Der Schwerpunkt des Forschungsprojektes war das Monitoring des Gebäudes, um die Wirksamkeit des PCM-Anteils im Estrich
im praktischen Betrieb aufzuzeigen und das Gesamtsystem "Gebäude und Anlagentechnik" zu optimieren.
Die energetische Beladung des PCM-haltigen Estrichs im Energiespeicherhaus erfolgt über die Fußbodenheizung mithilfe einer im Estrich angeordneten Sensorik.
Bei der Wahl der Regelungsstrategie ging es hauptsächlich darum, mit welcher Heizkurve eine möglichst hohe Jahresarbeitszahl der Luft/Wasser-Wärmepumpe bei gleichzeitig hohem
Stromanteil durch die PV-Anlage erreicht werden kann. Dabei zeigte sich, dass die festgelegte Schalttemperatur des Estrich-Zuschlagsstoffes von 25 °C in der Übergangszeit und im
Sommer eher kontraproduktiv auf den Wärmepumpenbetrieb wirkt. |
Erkenntnisse: "Bei der Auswahl des PCM und der Be- und Entladestrategie des Estrichs gibt es noch deutliche
Optimierungspotenziale." |
Ergebnisse der ersten Untersuchungsrunde:
- durch den PCM-Estrich kann die Wärmepumpe ab 16 Uhr abgeschaltet werden
- eine stärkere Nutzung des PCM-Effekts, beispielsweise eine tageweise Abschaltung der Wärmepumpe, ist möglich,
jedoch stark von den Außentemperaturen abhängig
- Kühlen mit dem PCM-Estrich erfordert eine aktive Beladung des Estrichs; eine passive Beladung durch Nachtauskühlung
der Räume reicht nicht aus
- durch die Auswahl des PCM und dessen Schaltpunkt wird die Speicherkapazität festgelegt; liegt die Raumtemperatur benutzerspezifisch
über der Auslegungstemperatur des PCM, kann der latente Speichereffekt nicht genutzt werden.
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Speicherkapazität erhöhen mit innovativen heatStixx
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Oft hat ein Energiespeicher (Wärme- und/oder Kältespeicher) eine zu geringe
Kapazität oder er kann aus Platzgründen nicht in der gewünschten oder notwendigen Größe installiert werden.
Hier bietet sich die Nutzung von Phasenwechselmaterialien (PCM = Phase Change Material) an. Diese werden zum
Ein- und Ausspeichern thermischer Energie genutzt. Dabei spielt der Phasenwechsel die entscheidende Rolle.
Je nach PCM (Paraffine, Salzhydrate etc.) werden beim Erreichen einer bestimmten Temperatur (das ist die Phasenwechseltemperatur und ist jeweils
abhängig vom PCM) die Bindungskräfte energetisch "aufgebrochen". Das ist der Schmelzvorgang. Dieser spielt sich bei
einer konstanten Temperatur ab. Wird wieder heruntergekühlt, also die eingespeicherte Energie wird bei konstanter Temperatur entnommen,
wird das PCM wieder fest. Mit dem PCM kann eine zwei- bis fünffache Speicherkapazitätserhöhung erreicht werden.
Latent-Effekt
Wie viel diese Energie ausmachen kann, zeigt der Blick auf Wassereis: Um 1 kg Wasser von 0 °C fest auf 0 °C
flüssig zu bringen, ist so viel Energie notwendig, als würde man 1 kg Wasser von 0 °C (flüssig) auf 80 °C erwärmen.
Für den Einsatz in Speichern wurden die Materialeigenschaften des heatStixx
gegenüber herkömmlicher PCM-Verkapselungen optimiert.
Das Material ist
• wartungsfrei (Sichtkontrolle nur alle 2 Jahre)
• zyklenfest - hohe Beständigkeit der Phasenwechsel (10.000 mal)
• flexibel - an fast jeden Speicher anpassbare heatStixx
• klimaneutral - für eine bessere Umwelt und Zukunft
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Zweizonenspeicher
Quelle: kraftBoxx GmbH / Klara Energy Systems GmbH |
Die heatStixx und heatSel sind für verschiedene Temperaturbereiche erhältlich.
Damit wird ein sehr breites Spektrum an Anwendungsbereichen und Möglichkeiten für die Wärme- und Kältespeicherung abgedeckt.
Anwendung
• Wärmespeicher
• Kältespeicher
• Wärmepumpensysteme
• Power-to-Heat
• Energiespeicher aller Art
Eigenschaften
• Wartungsfrei
• Zyklenfest
• Flexibel
Wärmepumpe optimieren
• SmartGrid Tarife nutzen
• Sperrzeiten überbrücken
• Wirkungsgrade verbessern
Einbringung
• Standardmuffe 1½"
• Automatische Anordnung der Ellipsoide
• Optimierte Durchströmung
Systemkompetenz
• Boostfunktion für Standardspeicher
• Optimierung Systemspeicher
• Systemhoheit bleibt erhalten
Funktion
• Betriebstemperatur wählen
• heatStixx einfüllen
• Latente Energie nutzen
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Hauptanwendungen der heatStixx |
Wärme |
Kälte |
• Solarthermie
• PV-Heat
• Wärmepumpe
• Brennwerttechnik
• Heizkessel |
• Prozesswärme
• Nah- und Fernwärmenetze
• Betonkernaktivierung
• Sonnenhaus
• Lüftung/Wärmerückgewinnung |
• Lüftung/Klimatechnik<
• Prozesskälte
• Kühltheken
• Supermarkt-Kälteanlage
• Eisspeicher |
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Speicherkapazität erhöhen mit innovativen heatStixx
kraftBoxx GmbH / Klara Energy Systems GmbH
Broschüre - heatStixx und heatSel
pro KÜHLSOLE GmbH / klara energy systems gmbh / Axiotherm GmbH
Thermische Speicherung mit PCM - ILK Dresden
Mit Heatstickern zur vierfachen Kapazität - Wolfgang Schmid
Latentspeicher: Überblick Forschung und Entwicklung - HS Luzern –Technik & Architektur |
Hydraulische Weiche als Latentspeicher |
Bei dem Einsatz von umweltfreundlichen Kältemitteln (Propan oder Ammoniak) kommen durch
die speziellen Eigenschaften dieser Kältemittel (brennbar/toxisch) fast ausschließlich Kaltwasser- oder Kaltsolesysteme für den
"Kälte"-Transport vom Flüssigkeitskühler zu den Kühlstellen zum Einsatz.
Ein wichtiger Bestandteil dieser Anlagen ist die " hydraulische Weiche", die zwischen Kälteerzeuger/Flüssigkeitskühler und den einzelnen Kühlräumen oder Kühlmöbel eingebaut wird. Eine für diesen Zweck entwickelte hydraulische Weiche für ein Kaltwasser-/ Kaltsolesystem kann ohne großen
Aufwand zu einem PCM-Latentspeicher erweitert werden. Durch diese Erweiterung wird im Kaltwasser-/ Kaltsolesystem
eine große Mengen an "Kälteenergie" auf kleinstem Raumvolumen eingespeichert werden. |
Hydraulische Weiche als Latentspeicher
Anwendungsbereich (Temperaturbereich)
der PCM-Typen
Quelle: Frigoteam Handels GmbH
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Hierfür werden PCM-Elemente (Kugeln, Linsen) auf der Baustelle einfach durch eine entsprechende
Flanschöffnung in den Speicher eingebracht. Diese verteilen sich dann automaisch zwischen den beiden horizontal eingebrachten Lochblechen. Diese
" Speicher" verfügen über Inhalte von 500 Liter bis zu 10.000 Liter, was Speicherkapazitäten von 25 kWh bis 500 kWh entspricht.
Die Kunststofflinsen ("HeatSels") oder Kunststoffkugeln bestehen aus einem für den Anwendungsfall und
Temperaturbereich eingestelltem Eutektikum/ Salzhydrat. Das PCM (Phase Change Material) befindet sich in luftdicht verschweißten Linsen/Kugeln mit
einer speziellen Geometrie aus Kunststoff (HDPE). Diese Geometrie garantiert einen schnellen und effektiven Phasenwechsel des Materials im Inneren
der Kunststofflinsen/-kugeln. Die Geometrie der Linsen ist patentiert. Die Linsen/Kugeln werden mit Hilfe des umlaufenden Wasser-Frostschutzgemisches der Kälteanlage
im Ladebetrieb gefroren bzw. im Entladebetrieb wieder geschmolzen. Dieser Vorgang erfolgt bei nahezu konstanter Temperatur
und kann ohne Verschleiß beliebig oft wiederholt werden.
Der PCM-Latentspeicher hat ein sehr weites Anwendungsgebiet. Er kann z. B. als thermischer
Zwischenspeicher für Kälte aus günstigem Strom (Überschuss einer PV-Anlage, negative Regelenergie) oder als Reserve
und Rückhaltung für Lastspitzen oder Notfallversorgungen dienen. Mit einem PCM-Latentspeicher kann die Effizienz und die
Versorgungssicherheit eines Systems erhöht werden.
Der Ladebetrieb eines PCM-Latentspeichers bei der Kombination mit Strom
ist immer dann sinnvoll, wenn günstige und umweltfreundlich erzeugte elektrische Energie zur Verfügung steht. Besonders bei Niedrigstromtarifen
oder zum Beispiel bei Überkapazitäten einer Photovoltaik- oder
Windkraftanlage (oder der Speicherung von negativer Regelenergie). Für Kälte- und Klimaanlagen
steht dann nachts, durch Abschmelzen des PCM-Latentspeichers, die tagsüber emissionsfreie und umweltschonend erzeugte Kältemenge zur
Kühlung zur Verfügung. |
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Frigoteam PCM-Latentspeicher COOLSAFE -System - Frigoteam Handels GmbH |
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| PCM
- Warmluftspeicher |
| Zunehmend werde Energiespeicher
(Latentspeicher) aus PCM Materialien hergestellt.
In diesem wird die thermische Energie verborgen,
verlustarm und mit vielen Wiederhohlzyklen über lange Zeit
gespeichert.
PCM Materialien haben festgelegte
Temperaturgrenze an denen Sie schmelzen. Die Nutzung
eines Phasenübergangs ist für die Energiespeicherung
dabei wesentlich effektiver als das bloße Erwärmen eines Mediums.
Die Zustandsänderung der Speichermaterials für die Energiespeicherung
sollte im Bereich zwischen 25 - 35 °C liegen.
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Der Speicher
wird im Wohnraum (beheizte
Gebäudehülle) betrieben, um unnötige Wärmeverluste
so gering wie möglich zu halten. Wenn wir
uns nun unsere Wohnraumtemperatur ansehen,
liegt diese zwischen 18 und 22 °C. Wenn der
Speicher entladen wird, kühlt das geschmolzene
PCM ab und gibt die Wärme an die durch den
Speicher strömende Luft ab. Hierzu ist eine
Temperaturdifferenz von einigen Grad (Kelvin)
erforderlich. Wenn nun die Wohnraumtemperatur
auf ca. 17 °C absinkt, so soll diese abgekühlte
Raumluft automatisch durch den Speicher transportiert
und wieder auf ca. 22 °C erwärmt werden.
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| Hierbei
behält der Speicher solange seine Temperatur
von z. B. 27 °C (gewählte Schmelztemperatur
des PCM Materials) bis alle gespeicherte Energie
an die Luft abgegeben das PCM wieder vollständig
erstarrt ist – der Speicher ist entladen.
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| Eine
elektronische Regelung sorgt
dafür, dass der Speicherlüfter erst dann seinen
Betrieb startet, wenn die Raumtemperatur unter
eine voreingestellte Temperaturgrenze sinkt.
Zur Ladezyklenoptimierung werden
leise und leistungsfähige Walzenlüfter und eine
elektronische Steuerung aus dem Solarbereich
verbaut. |
| Bei
diesen geringen Wärmeunterschieden von 5 - 7
K spielt auch die Eigenabkühlung des PCM keine
wesentliche Rolle, zumal die Energie nicht verloren
geht, sondern auch zur Raumerwärmung mit beiträgt.
Die Eigenabkühlung ist aber so gering, dass
am nächsten Morgen der Speicher noch immer eine
Kapazität von ca. 80% hat, wenn die gespeicherte
Wärme nicht abgerufen wurde.
Quelle: Trubadu.de |
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| Abpufferung
der Raumtemperaturspitzen |
| Quelle:
ZAE Bayern |
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Der
Vorteil des PCM's
liegt in der Nutzung der
latenten Wärme während des
Phasenwechsels. Aber es wird
auch sensible (fühlbare)
Wärme gespeichert. Hier liegt
auch der Grund, dass sie in unterschiedlichen
Baumaterialien
(Gipsplatten und -putze, Porenbetonsteine,
Kühldeckenelemente, Estriche, Holzwerkstoffe,
Spachtelmassen) eingesetzt werden. Auch in
Glasscheiben kann das Material
eingebracht werden. >
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