Die "verborgene Energie" nutzen

Die Speichermenge eines Containers der Firma LaTherm beträgt ca. 2,5 MWh - mit einem Container könnte also ein Einfamilienhaus ungefähr ein Vierteljahr mit Heizung und Warmwasser versorgt werden. Bild: LaTherm

Einer Form dieses ganz besonderen Wärmespeichers verdanken viele Menschen im Winter ihre warmen Hände, dem Wärmekissen. Es wird so lange in ­heißem Wasser erhitzt, bis seine Füllung flüssig geworden ist. Benötigt man die Wärme nun, knickt man ein in der Flüssigkeit befindliches Metallplättchen, die Flüssigkeit kristallisiert langsam und verströmt dabei eine wohlige Wärme. Dieser Vorgang - nur im großen Stil - läuft auch in Latentwärmespeicher ab. Hier lohnt sich aber zunächst einmal ein etwas genauerer Blick auf die Technologie.

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Die Wärme im Verborgenen
Hier sind vielleicht zunächst ein paar Bemerkungen zum Begriff Latentwärme nötig. Er hat seine Wurzeln im lateinischen Begriff "latens", der übersetzt "verborgen" oder "im Verborgenen" bedeutet. Bei der Latentwärme handelt es sich also im gewissen Sinn um verborgene Wärme. Um es ein wenig genauer zu fassen: Wenn man in einer Substanz die Temperatur verändert (ihr also Energie hinzufügt), bleibt das zunächst sehr genau fühlbar. Die zugefügte Energie lässt sich also in Form von Wärme direkt messen. Ändert sich aber nun der Aggregatzustand der Substanz - beispielsweise von fest zu flüssig - bleibt die Temperatur konstant, obwohl eine große Menge an Energie zugeführt werden muss. Diese Energie liegt in Form von Latentwärme "im Verborgenen" vor.

Ein kurzes Zahlenbeispiel mag hier für mehr Klarheit sorgen: Die gleiche Energiemenge, die benötigt wird, um ein Kilogramm Eis zu schmelzen, reicht aus, um ein Kilogramm Wasser von 0 °C auf 80 °C zu erhitzen. Bei der Latentwärme handelt es sich also nicht um eine vernachlässigbare Größe, sondern um eine signifikante Energiemenge, die es zu nutzen gilt.

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Wie aber kann man sich die Vorgänge, die in einer Substanz bei der Speicherung von Latentwärme ablaufen, vorstellen? Das Zauberwort ist hier die Bindungsenergie zwischen den einzelnen Molekülen. Mit der Änderung des Aggregatszustandes (Wissenschaftler sprechen hier kurz von der Phasenänderung - phase change) geht auch eine Veränderung bei der Bindungsenergie einher. Bei einer Änderung vom festen zum flüssigen Zustand, "lockern" sich die Bindungen. Um das zu erreichen, wird Energie benötigt. Läuft dieser Vorgang später in umgekehrter Richtung ab, verfestigen sich die Bindungen und die Energie wird wieder freigesetzt.

Da, wie ja bereits angemerkt, eine große Menge Energie für einen Phasenwechsel benötigt wird, kann man also mithilfe von Materialien, die ihren Aggregatzustand wechseln, auch große Mengen an Energie speichern. Diese Materialien werden von den Technikern als Phase Change Materials (PCM) bezeichnet.

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Anforderungen und ­Eigenschaften
In den Wärmekissen findet meist das Salz Natriumacetat als Wärmespeicher Verwendung. Auch für Anwendungen "im großen Stil", wie man sie im Zusammenhang mit der Solarthermie benötigt, findet dieser Stoff Anwendung. Insgesamt gelten anorganische Salze bzw. Salzgemische als geeignete Substanzen. Darüber hinaus gibt es auch Latentwärmespeicher, die mit Paraffin arbeiten. Idealerweise sollten die verwendeten PCM für eine technische Anwendung folgende Kriterien erfüllen:

• passender Schmelzpunkt für die jeweilige Anwendung,
• große spezifische Schmelzwärme,
• große spezifische Wärmekapazität,
• gute Wärmeleitfähigkeit,
• geringe Veränderung der Dichte und des Volumens beim Phasenübergang,
• hohe chemische und physikalische Stabilität bei der Wärmeübertragung,
• umweltverträglich und ungiftig.

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Einige dieser Punkte, wie z. B. die Wärmeleitfähigkeit, bereiten den Experten bei der Entwicklung durchaus noch Kopfzerbrechen. Sie spielt eine besondere Rolle beim Be- und Entladen des Speichers und ist für seine Effektivität nicht unwichtig. Paraffin stellt in dieser Hinsicht nicht unbedingt die beste Wahl dar. Bei der Wärmekapazität allerdings können die­se Materialen ihre Stärken voll ausspielen. Während Wasser, das "klassische" ­Speichermedium in Pufferspeichern für Heizungssysteme, bei Raumtemperatur eine spezifische Wärmekapazität (das ist die Menge an Energie, die man benötigt, um 1 kg eines Materials um 1 K zu erhitzen) von 4200 J/(kg K) aufweist, ändert Paraffin bei dieser Temperatur bereits seinen Aggregatzustand. Die spezifische Wärmekapazität dieses Stoffes liegt folglich fast um das 50-Fache darüber. Auch bei der Speicherkapazität schneiden PCM besser ab, als Wasser. Hier liegen die Werte indes nicht ganz so weit auseinander: Wasser weist eine Speicherkapazität von ca. 60 kWh/m³ auf, während PCM bei ca. 120 kWh/m³ anzusiedeln sind. Eine Erhöhung der Speicherkapazität, die an sich ja schon von Vorteil ist, hat auch zur Folge, dass Latentwärmespeicher im Vergleich zu herkömmlichen Geräten einen deutlich geringeren Raumbedarf aufweisen.

Die technische Umsetzung dieses viel versprechenden Speicherkonzepts steckt noch ein wenig in den Kinderschuhen, dennoch sind bereits einige Produkte auf dem Markt erhältlich. IKZ-ENERGY stellt im Folgenden einige Latentwärmespeicher vor.

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PCM Diagramm.

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"Wärmespeicher-­Accumulatoren" aus Paraffin
Zu den Pionieren der deutschen ­Latentwärmespeicher-Szene zählt die ­Firma PowerTank GmbH aus Thüringen. Sie hat ein modulares System ­entwickelt, das aus einzelnen Zellen besteht, die je nach Bedarf zu sogenannten "Wärmespeicher Accumulatoren" miteinander verschaltet werden können. Die ­einzelnen Speicherzellen sind säulenförmig und ha­ben eine Höhe von 1,80 m und einen Durchmesser von 29 cm. Sie können sowohl stehend als auch liegend verwendet werden, sodass ein Bauherr den ihm zur Verfügung stehenden Platz optimal ausnutzen kann. Der Zwischenraum ­zwischen den einzelnen Speicherzellen wird dabei mit Kies oder Grauwacke verschüttet, das ganze Gebilde von einer Isolierung umgeben. Als PCM verwenden diese Speicherzellen Paraffin, das in den Säulen jeweils Kupferrohre ummantelt.

Man kann bei diesem Sys­tem davon ausgehen, dass das Speichervolumen im Vergleich zu einem herkömmlichen Pufferspeicher etwa ein Drittel beträgt. Im Angebot befinden sich verschiedenen Zelltypen, angefangen von einer Zelle zur Heizungsunterstützung bis hin zu Frischwasserzeller, die nach dem Prinzip eines Durchlauferhitzers arbeiten.

Die Einsatzgebiete sind vielfältig. Verwendet man die PowerTank-Speicher zusammen mit herkömmlichen Heizungssystemen, sorgen sie für eine Verringerung der Schaltzeiten des Brenners auf ca. 2800 bis 3800 Takte im Jahr (Anlagen ohne Latentwärmespeicher schalten sich 30 000 bis 45 000 Mal jährlich ein und aus). Allein dies bringt laut Angaben des Herstellers eine Energieersparnis von bis zu 40 %. Ein wichtiges Feld stellt natürlich die Nutzung zusammen mit einer Solarthermieanlage dar. Darüber hinaus lassen sich die Speicher auch mit Blockheizkraftwerken, Biogansanlagen, Wärmepumpen und in einer speziellen Ausführung auch für die industrielle Abwärmenutzung verwenden.

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Speichermodule mit ­Natriumacetat oder Paraffin
Einer anderen Technologie bedient sich die LaTherm GmbH aus Dortmund. Die Wärmespeicher, die dieses Unternehmen entwickelt hat, verwenden das Salz Natriumacetat als PCM. Zunächst einmal ist das Hauptaugenmerk des Unternehmens aus dem Ruhrgebiet auf Großanwendungen gerichtet. 20-Fuß-Standard-Container dienen hier als Behälter. Diese Container werden so umgerüstet, dass sie mit Natriumacetat befüllt und dann als Wärmespeicher eingesetzt werden können.

Die Speichermenge eines Containers beträgt ca. 2,5 MWh - mit einem Container könnte also ein Einfamilienhaus ungefähr ein Vierteljahr mit Heizung und Warmwasser versorgt werden. Befüllt werden die Container bei großen Industrieanlagen, die ihre Wärme heute typischerweise an die Umwelt abgeben (müssen) oder sogar aufwendige Kühltürme o. Ä. betreiben. Mithilfe einfacher, wasserbasierter Wärmetauscher wird die Wärme in den Container geführt und dort gespeichert. Dieser Beladungsprozess dauert - je nach Temperatur und Wärmemenge der Wärmequelle - ca. 3 bis 4 Stunden.

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Allerdings zielt das Unternehmen nicht unbedingt auf Privathaushalte als primäre Kunden. In einem Feldversuch in Dortmund will man beispielsweise die Wärme, die bei der Methanvergasung einer Deponie entsteht, nutzen und für ein Schwimmbad mithilfe der rollenden Container bereitstellen. Aber auch die Anwendungen im "kleinen" Stil will man nicht aus dem Auge verlieren, wie Kai Petersen, der Geschäftsführer von LaTherm, betont. Hier tritt sein Unternehmen demnächst das Erbe der Alfred Scheider GmbH an, deren Patente man übernommen hat und deren Geschäft Petersen mit seinen Mitstreitern gerne fortführen möchte.

Speichermodule einer ganz anderen Dimension verwendet die Firma Rubitherm Technologies GmbH aus Berlin. Die baut etwa 45 x 30 x 1 cm kleine modulare Grundelemente, aus denen dann - je nach bedarf - große Streicheleinheiten zusammengebaut werden können. Je nach Anwendung kommen hier Salzhydrate oder Paraffin als PCM zum Einsatz. Neben dem Einsatz als Pufferspeicher für solarthermische Anlagen und herkömmliche Heizungssysteme kommen diese Module als Klimaspeicher zur Raumklimatisierung und als Kältespeicher zur Spitzenlastverringerung zum Einsatz.

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Wasser als PCM
Mit einem ganzen System, das mit speziellen Solarkollektoren, einer Wärmepumpe und zwei Wärmespeichern ausgestattet ist, wartet die Consolar GmbH auf. Laut Angaben des Unternehmens soll dieses System mindestens 85 % des jährlichen Energiebedarfs eines durchschnittlichen Einfamilienhauses für Warmwasser und Heizung decken. Grundvoraussetzung hierfür ist allerdings eine Niedertemperaturheizung mit einer Vorlauftemperatur von maximal 35 °C.

Ein Kernstück des Systems sind die sogenannten Hybridkollektoren. Sie arbeiten bei Sonneneinstrahlung wie normale Solarkollektoren. Die im Kollektor gewonnene Wärme wird an einen handels­üblichen Kombispeicher zur Erwärmung des Brauchwassers und des Heizungswassers abgegeben. Bei bedecktem Himmel wird durch ein Gebläse Umgebungsluft durch den Kollektor geblasen. Diese Luft gibt ihre Wärme an die zirkulierende Solarflüssigkeit ab. Wird nun Wärme benötigt, kann die ins System integrierte Wärmepumpe die Temperatur für Warmwasser und Heizung anheben. Wird aktuell keine Wärme benötigt, lässt sich der Latentwärmespeicher laden. Er arbeitet mit Wasser als PCM und nutzt den Phasenwechsel von flüssig zu eisförmig und kann somit auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau zwischen - 20 °C und 25 °C arbeiten. Wird nun mehr Wärme benötigt als im Kombispeicher zur Verfügung steht, schaltet sich die Wärmepumpe ein. Sie entzieht dem Latentwärmespeicher Niedertemperaturwärme und bringt diese auf ein höheres Temperaturniveau.

Noch wird dieses System nicht in Serie gefertigt, aber da Feldversuche positive Ergebnisse gezeigt haben, wird der Beginn der Serienproduktion noch für das Jahr 2009 erwartet.

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Prozessdampf mit PCM
Natürlich wird Wärme nicht nur in Wohnhäusern benutzt. Gerade im industriellen Bereich entsteht eine Menge Wärme, es werden aber auch große Mengen an Wärme verbraucht. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von Porenbeton. Ein wichtiger Prozessschritt ist hierbei das Härten des Materials. Hierfür wird sehr viel Dampf benötigt, denn die Härtung erfolgt über viele Stunden. Insgesamt machen die Energiekosten ein Viertel der gesamten Produktionskosten aus, das ist wahrlich kein Pappenstiel. Das ist besonders ärgerlich, da natürlich nicht der komplette eingesetzte Dampf auch zur Härtung benötigt wird. Bislang wird der überschüssige Dampf in Druckwasserbehälter geleitet, um ihn dort zu speichern.

Diese Lösung ist aber nicht ganz optimal - und an dieser Stelle kommen wieder Latentwärmespeicher ins Spiel. Zusammen mit einigen Industriepartnern hat sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik des Problems angenommen und einen Latentwärmespeicher entwickelt, der Prozesswärme im Temperaturbereich zwischen 120 °C und 250 °C bereitstellt.

Als PCM dienen hier verschieden Salze mit unterschiedlichen Schmelzpunkten. Da die Salze aber über eine schlechte Wärmeleitfähigkeit verfügen, entwickelte man ein Wärmeübertragungssystem, das ein hoch leitfähiges Grafit verwendet. Damit können hohe Be- und Entladegeschwindigkeiten, wie sie in der industriellen Anwendung häufig nötig sind, erreicht werden. In einem ersten Labor-Protoyp sind die Grafitplatten und das PCM sandwichförmig angeordnet. Erste Tests ergaben eine Speicherkapazität von 55kWh/m³, das ist mehr als doppelt so viel, wie bei vergleichbaren Druckwassersystemen. Auch hier deutet sich also an, welche große Potenziale in den PCM stecken.

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Eine weitere mögliche Anwendung dieser Art von Speicher sind solarthermische Kraftwerke, die mit ihrer Hilfe eine Stromproduktion bis in die Abend- und Nachtstunden hinein aufrechterhalten können.

Kosten - Nutzen abwägen
Latentwärmespeicher stellen also eine hochinteressante technische Entwicklung dar, die (nicht nur) der Nutzung der Sonnenenergie zu weitaus höherer Effizienz verhelfen kann. Sie stellen aber nicht in ­jedem Fall das Nonplusultra dar, ­bisweilen bringen sie kaum Einsparungen. Daher ist es auch hier wichtig, vor der Ins­tallation Kosten und Nutzen gegeneinander abzuwägen. Einen Einsatz von Latentwärmespeichern sollte man aber unbedingt in Betracht ziehen. Auch gilt es, die technischen Entwicklungen gut im Auge zu behalten, denn hier gibt es noch viel Spielraum nach oben, der sicherlich schon bald genutzt werden wird.

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Gütesiegel für PCM
PCM erlangen zunehmend auch kommerziell Bedeutung. Aus diesem Grund ­wurde vom Fraunhofer ISE in Zusammenarbeit mit weiteren Forschungsinstituten, Herstellern und Anwendern von Phasenwechselmaterialien ein RAL-Gütsiegel entwickelt. Dabei ging es vor allem um die einheitliche Charakterisierung von Eigenschaften der PCM. Im Wesentlichen sind es drei Punkte, die das im Jahr 2007 eingeführte Gütezeichen umfasst.

1. Enthalpie-Temperatur-Verlauf
Es müssen immer Angaben über das Schmelzen und Kristallisieren des PCM gemacht werden. Außerdem muss die Enthalpie (physikalisches Maß für die Energie eines thermodynamischen Systems) in Abhängigkeit vom betrachteten Temperatur­intervall angegeben werden.

2. Zyklenstabilität
Die PCM sind in sechs Klassen unterteilt, die beschreiben, wie viele Zyklen das Material durchlaufen kann, ohne seine physikalischen und chemischen Eigenschaften zu verändern. Dabei umfasst ein Zyklus das vollständige Aufschmelzen und wieder Erstarren des Stoffes. PCM der Klasse A weisen eine Stabilität bei 50 Zyklen auf, solche, die in Klasse F eingeordnet werden, überstehen 10 000 Zyklen schadlos.

3. Wärmeleitfähigkeit
Die Messung der Wärmeleitfähigkeit eines PCM bzw. Verbundes ist das 3. Gütekriterium. Die Prüfvorschriften umfassen Vorgaben für die Messung, Auswertung und Darstellung der Messergebnisse.

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Datenspeicherung mit PCM
Nicht nur zur Speicherung von Wärme bzw. Energie lassen sich PCM einsetzen. Die Wissenschaft versucht auch, diese besonderen Stoffe zur Entwicklung neuer Datenspeicher nutzbar zu machen. Prof. Matthias Wuttig von der RWTH Aachen erklärt die Funktionsweise der neuen Speicher: "Stehen die Materialatome wie in einem Kristall in Reih‘ und Glied, leitet das Material den elektrischen Strom besser. Sind die Atome dagegen völlig ungeordnet, geht der Strom schwerer hindurch." Diesen unterschiedlichen Widerstand nutzt die Phasenwechselspeicherzelle. Durch kleine Stromstöße wird zwischen den beiden Materialzuständen schnell hin und her geschaltet und so eine große Datenmenge gesichert. Ziel ist eine Speicherkapazität von etwa 10 GB/cm² Speicher, etwa 10- bis 15-mal mehr als heute.

Autor
Jürgen Brück ist freier Journalist in Bonn und hat sich auf die Gebiete Erneuerbare Energien, Physik, Astronomie und Nanotechnologie spezialisiert.