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Abb. 2: Temperaturverlauf als Funktion der gespeicherten Wärmemenge bei sensibler und latenter Wärmespeicherung.
© ZAE Bayern

Abb. 1: Der Einsatz von PCM dient der Vermeidung von Spitzentemperaturen im Gebäudeinnern und somit der Einsparung von Kühlenergie. Bei konventioneller Nachtlüftung wird die Warmluft im Gebäude durch kalte Nachtluft ersetzt.
© GLASSX, Gaston Wicky
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Phasenübergang puffert Wärme

Wärmespeicherung ist in vielen Fällen notwendig für den effizienten Umgang mit Energie. Mit Materialien, die Wärme latent speichern, sind angepasste Lösungen für viele Anwendungsbereiche möglich. Entscheidend für den Einsatz ist eine geeignete Konfektionierung der Phase Change Materials, um einen effektiven Wärmeaustausch zu ermöglichen. Besonders flexibel sind mikroverkapselte PCM, die in viele Baustoffe und Bausysteme integriert werden können.

Wärmespeicherung spielt immer dort eine wichtige Rolle, wo es gilt, Angebot und Nachfrage von Wärme oder Kälte im Zeitverlauf und in der Leistung anzupassen; aber auch dort, wo Versorgungssicherheit und netzunabhängige Versorgung gewährleistet sein muss. Durch Wärmespeicherung können viele "Wärmequellen" wie Solarenergie oder Abwärme aus Industrieprozessen und Kraftwerken wirtschaftlich nutzbar, d. h. verfügbar gemacht werden, wenn sie gebraucht werden. Die Wärmebereitstellung durch eine Heizungs- oder Solaranlage muss somit nicht auf die maximale Nachfrage ausgelegt, sondern kann an den mittleren Bedarf angepasst werden. Alternativ lassen sich die niedrigen Temperaturen in der Nacht zum Kühlen am Tag verwenden.

Bedarfsgerechte Wärmespeicherung erfolgt heute üblicherweise durch Warmwasserspeicher – indem die Temperatur des gespeicherten Wassers auf die Bedarfstemperatur oder darüber erhöht wird. Die so gespeicherte Wärme nennt man sensible Wärme, da es sich um eine "fühlbare" Speicherung handelt. Wasser für diesen Prozess zu nutzen hat den Vorteil, dass es meist gleichzeitig das Medium ist, das anschließend auch benötigt wird – z. B. kann es direkt zum Duschen aus dem Speichertank entnommen werden. Zudem ist Wasser in der Regel kostengünstig. Die sensible Wärmespeicherung wird z. B. auch beim Aufheizen der Kacheln eines Kachelofens genutzt. Diese geben die Wärme über viele Stunden ab – auch wenn das Feuer längst erloschen ist.

Latentspeichermaterialien, auch PCM (Phase Change Materials) genannt, speichern große Mengen Wärme durch einen Phasenwechsel – etwa von fest zu flüssig. Gegenüber konventionellen sensiblen Wärmespeichern ermöglichen PCM-Speicher hohe Energiedichten bei weitgehend konstanter Betriebstemperatur. Die für das Schmelzen von einem Kilogramm Wasser notwendige Energiemenge würde bei einer sensiblen Speicherung zur Temperaturerhöhung auf ungefähr 80°C führen. So gilt für viele Materialien, dass bei einer Temperaturänderung um wenige Grad (10K) beim Schmelzvorgang gegenüber sensibler Speicherung eine bis zu 10-fach höhere Wärmespeicherdichte erzielt werden kann. Abbildung 2 zeigt: Die Speicherung von Wärme ist gewöhnlich mit einer Temperaturerhöhung des Speichermaterials verbunden, die der gespeicherten Wärmemenge proportional ist (blaue Kurve). Bei der "latenten" (versteckten) Wärmespeicherung erfolgt nach Erreichen der Phasenübergangstemperatur eine Zeit lang keine Erhöhung der Temperatur – solange, bis das Speichermaterial vollständig geschmolzen ist (rote Kurve). Beim Erstarren wird die eingespeicherte Wärme wieder abgegeben.

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