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Abb. 3: Materialklassen, die als PCM untersucht und eingesetzt werden.
© ZAE Bayern

Abb. 4: Beispiel einer Makroverkapselung
© ZAE Bayern

Abb. 4: Beispiel einer Makroverkapselung
© ZAE Bayern

Abb. 4: Beispiel einer Makroverkapselung
© ZAE Bayern

Abb. 5: Mikroverkapselung.
© Fraunhofer ISE, BASF

Abb. 5: Mikroverkapselung.
© Fraunhofer ISE, BASF

Abb. 6: PCM-Verbundmaterialien: Mechanisch stabiles, schüttfähiges Granulat der Rubitherm GmbH
© ZAE Bayern


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Phasenübergang puffert Wärme II

Welche Speichermaterialien werden eingesetzt?

Aufgrund intensiver Forschung in den letzten beiden Jahrzehnten sind heute viele Phasenwechsel-Materialien bekannt, die sich für den Einsatz als Latentwärmespeicher eignen und mit ihren Schmelzpunkten einen weiten Temperaturbereich abdecken (Abb. 3). Durch unterschiedliche Mischungen von Wasser mit Salzen können z. B. eutektische Salzlösungen mit Schmelzpunkten weit unter 0 °C hergestellt werden – oder Salzhydrate mit Schmelzpunkten im Temperaturbereich von 5 °C bis 130 °C. Dadurch ergeben sich viele Anwendungen in den Bereichen Heizen, Kühlen und Klimatisieren. Sie zeichnen sich vor allem durch hohe Speicherdichten aus und sind vergleichsweise kostengünstig. Als organische Materialien eignen sich vor allem Paraffine und Fettsäuren. Sie haben meist niedrigere Speicherdichten und vergleichsweise höhere Kosten als Salzhydrate. Im Gegensatz zu Salzhydraten sind sie jedoch technisch leichter handhabbar.

Obwohl die Kombination Baustoffe und PCM auf den ersten Blick recht unspektakulär erscheint, sind jedoch eine Reihe von Anforderungen zu erfüllen. So muss neben einem ausreichenden Brandschutz – Paraffine z. B. sind brennbar – auch die mechanische Festigkeit der PCMMaterialien gegeben sein. Oft ist es auch sinnvoll, PCM zu modifizieren, um ihre Eigenschaften zu verändern. Beispiele sind schütt- und rieselfähige Granulate oder PCM-Grafit- Verbundmaterialien für hohe Heiz- oder Kühlleistungen.

PCM – gut verkapselt und portioniert

PCM eignen sich zum Bau von Speichern mit hoher Speicherdichte sowie aufgrund des Schmelzens bei konstanter Temperatur zur passiven  Temperaturstabilisierung. Da PCM bei ihrer Nutzung flüssig werden, ist es im Allgemeinen notwendig, sie in einem Behältnis zu kapseln. Bei konventionellen Speichern geschieht dies durch den Speicherbehälter. In vielen Anwendungen werden PCM jedoch als eigenständige Speicherelemente in einem bestehenden System eingesetzt.

In diesem Fall werden die eingesetzten Speicherbehälter der Phase Change Materials "Verkapselung" genannt. Sie werden nach ihrer Größe unterschieden in Makroverkapselungen mit mehr als 1 cm Durchmesser, Mikroverkapselungen mit weniger als 100 μm sowie Mesoverkapselungen, die den Zwischenbereich abdecken. Beispiele für konventionelle Makroverkapselungen zeigt Abbildung 4: Kunststoffbehälter in flacher Ausführung oder als Kugeln, Beutel usw. … Mit dieser Technik lassen sich beliebige Materialklassen “verpacken“. Jedoch sind solche Verkapselungen aufgrund ihrer Größe nicht überall einsetzbar.

Um PCM anderen Materialien, z. B. Baustoffen, zugeben zu können, ist es notwendig, die Mikroverkapselung einzusetzen. Durch die geringe Größe können die Kapseln gleich bei der Herstellung des Baustoffes beigemischt werden, sodass sich dessen Handhabung auf der Baustelle nicht von einem herkömmlichen Baustoff unterscheidet. Auch ein weiteres Bearbeiten während der Nutzungsphase ist möglich, denn die Kapseln werden aufgrund ihrer geringen Größe mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht beschädigt. Sollten einzelne dennoch Schaden nehmen, so ist die austretende Menge verschwindend gering. Mikroverkapselte Paraffine sind seit etwa 10 Jahren kommerziell erhältlich. Die Mikroverkapselung von Salzhydraten sowie erste Ansätze zur Mesoverkapselung sind Gegenstand intensiver Forschung.

Generell erfordert die meist geringe Wärmeleitfähigkeit des Materials beim Bau von Wärmespeichern mit PCM ausgeklügelte Be- und Entladesysteme. Diese müssen ebenso wie die Speicherhülle auf oft beträchtliche Volumenänderungen von PCM ausgelegt sein. Zentrale Kriterien für die Auswahl geeigneter Materialien sind hierbei Energie- und Leistungsdichten; aber auch Speicherverluste, Kosten und Sicherheit spielen eine wichtige Rolle.

Anwendungsmöglichkeiten von PCM

Die meisten Anwendungen von PCM mit dem Motiv „Energiesparen“ dienen dem Puffern von Temperaturzyklen in Gebäuden. Schwerpunkt ist die Vermeidung von Spitzentemperaturen und somit die Einsparung Kühlenergie. Bei konventioneller Nachtlüftung wird die Warmluft im Gebäude durch kalte Nachtluft ersetzt; mit PCM kann die Wärmekapazität eines Gebäudes erhöht und dadurch die Nachtkälte in der Gebäudemasse gespeichert werden. Eine weitere wichtige Anwendung sind Speicher, die zur Unterstützung der Gebäudeheizung eingesetzt werden.

Generell lassen sich folgende Anwendungen von Phase Change Materials in Gebäuden unterscheiden:

  • PCM in die Gebäudestruktur integriert (Wand, Decke)
  • PCM in sonstigen Gebäude-Komponenten (z. B. Fassadenelement)
  • PCM in separaten Wärme- und Kältespeichern

Die ersten beiden Anwendungen sind passive Systeme, die die gespeicherte Wärme oder Kälte automatisch abgeben. Das dritte System benötigt aktive Komponenten – wie Lüfter und Pumpen – sowie eine Regelung. Sie bietet jedoch den Vorteil, dass die gespeicherte Wärme oder Kälte bei Bedarf gezielt abgerufen werden kann. Abhängig vom Einsatzbereich werden PCM mit unterschiedlichen Phasenübergangstemperaturen eingesetzt. Bevorzugt werden in Gebäuden Speichertemperaturen von 0 °C bis 40 °C, mit Ausnahme der Warmwasser- und Heizwasserbereitung mit Temperaturen zwischen 50°C und 60 °C. Die Integration von PCM in die Gebäudestruktur ist auf den Temperaturbereich von 21 °C bis 26 °C fokussiert.

Eisspeicher mit ihrer im Vergleich zu Kaltwasserspeichern um ein Vielfaches höheren Speicherdichte sind heute in der Gebäudeklimatisierung und bei der Nutzung industrieller Prozesskälte Stand der Technik. Aufgrund ihrer Einbindung in das Kühlsystem über einen Solekreislauf mit Pumpe können die Speicher aktiv angesteuert werden, um sie gezielt zu be- und entladen sowie ihre Leistung zu regeln. Eine weitere Möglichkeit zur aktiven Einbindung bilden luftführende Heiz- und Kühlsysteme.

Zur passiven Temperaturstabilisierung hingegen werden PCM ohne äußere Steuerung eingesetzt. Ein Beispiel dafür ist der Einsatz makroverkapselter PCM in Transportboxen für temperaturempfindliche Güter wie Pharmazeutika und Blutplasma. In den letzten Jahren wurde vermehrt auch PCM in Bekleidung eingebracht. Hier puffern PCM kurzzeitig überschüssige Wärme und reduzieren das Schwitzen; oder sie nutzen gespeicherte Wärme, um Frieren zu verhindern. Für diese Fälle wird zumeist mikroverkapseltes PCM mit dem Bekleidungsstoff kombiniert.

Dieser Ansatz wird seit einigen Jahren auch zur passiven Temperaturstabilisierung in Gebäuden eingesetzt. Verglichen mit der Wärmespeicherfähigkeit von Baumaterialien wie Gips, Holz, Zement oder Steinen – die im Bereich von 0,8 bis 1,5 kJ/kg in einem 1 °C Intervall liegen – können PCM beim Schmelzen ein Vielfaches an Wärme speichern. Zumeist werden mikroverkapselte PCM in Baumaterialien eingebracht.

Ein weiteres Anwendungsfeld ergibt sich aus bereits etablierter Gebäudetechnik: So werden Gebäude mit bauteilintegrierten Rohrregistern gekühlt, um das Raumklima komplett oder unterstützend zu konditionieren. Diese thermoaktiven Bauteilsysteme (TABS) lassen sich kombiniert mit konventionellen Heizsystemen (Heizkörpern) sowie natürlicher oder maschineller Lüftung einsetzen. Bei dieser Anwendung ersetzen sie eine konventionelle Gebäudekühlung. Bei rein passiven Systemen – oder auch im Falle der TABS – sollte aufgrund des schlechten Wärmeübergangs zur Luft eine große Wärmeübertragerfläche zur Verfügung stehen. Bei aktiven Systemen ist dies nicht notwendig, denn bereits eine geringe Bewegung der Luft erhöht den Wärmeübergang und damit die Leistungsfähigkeit des Systems um ein Vielfaches.

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