Latentwärmespeicher – Speicherstoffe im Vergleich
Latentwärmespeicher sind Stoffe, die bei der Speicherung von Wärme ihren Aggregatzustand von fest auf flüssig ändern, deshalb nennt man sie auch „Phase-Change-Materials“ = Phasenwechselmaterialien oder kurz: PCM. Dieser Effekt tritt auch von flüssig auf gasförmig auf, ist jedoch wegen der sehr großen Volumenänderung für die Heiztechnik nicht nutzbar.
Der bekannteste Stoff für Latentwärmespeicherung ist Wasser. Der Phasenwechsel fest/flüssig findet bei 0°C statt. Mit der Wärme, die man benötigt um 1 kg Eis zu schmelzen, könnte man anschließend die gleiche Menge Wasser auf 80 °C erhitzen. Die nützliche Eigenschaft der Latentwärmespeicher ist, dass sie zusätzlich zur sensiblen Wärme (Wärmekapazität, wenn ein Stoff z.B. Wasser um 1 Kelvin erwärmt wird, Q=m*c*dT) die latente Wärme speichern (und abgeben) können, die durch die Wärmekapazität im Phasenwechsel des Speichermaterials bestimmt wird.
Wie stark sich dieser zusätzliche latente Teil auswirkt, verdeutlicht die Abbildung rechts. Sie zeigt die gespeicherte Wärmekapazität von Wasser (ohne Berücksichtigung der latenten Phase) und die von Paraffin im Bereich von 20-90 °C. Sie können erkennen, dass bei 55 °C das Parafin schmilzt. Obwohl Wasser eine höhere spezifische Wärmekapazität (4,185 [J/(g·K)]) als „Wärmeparaffine“ (ca. 2,1 [J/(g·K)]) hat, können letztere, wenn die latente Phase eintritt, deutlich mehr Wärme, vor allem in einem nutzbaren Temperaturniveau, speichern.
Eine dritte Gruppe von PCM sind Salzhydrate. Im Gegensatz zu Paraffinen ist bei Salzhydraten der Vorgang des Phasenwechsels kein rein physikalischer sondern ein chemischer. Die Schmelztemperaturen von Salzhydraten liegen etwa im gleichen Bereich wie die der Paraffine. Die Wärme, die aufgenommen und wieder abgegeben werden kann, ist deutlich größer. Siehe Grafik Schmelztemperaturen und Wärme.
Wärmespeicher
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Wasser und Paraffin als Wärmespeicher
Schmelztemparaturen
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Schmelztemperaturen und speicherbare Wärmemenge Q von Latentmaterial kJ pro Liter