Latentwärmespeicher

Die Wärme des Sommers zu speichern und sie im Winter zur Beheizung eines Gebäudes einzusetzen, wäre eine elegante und sinnvolle Lösung. Doch selbst bei hochgedämmten Wasserspeichern ist die Speicherkapazität nach nur wenigen Tagen abgelaufen. Latentwärmespeicher hingegen können Wärmeenergie über einen längeren Zeitraum speichern. So lässt sich im Zusammenspiel mit weiteren Technologien und einer sehr guten baulichen Grundlage sogar ein energieautarkes Gebäude errichten.

Gallerie

Physikalisches Grundprinzip

Latentwärmespeicher sind mit PCM (engl. Phase Change Material, zu Deutsch: Phasenwechselmaterial) befüllt. Dieses Speichermedium ändert unter bestimmten Bedingungen und unter Zufuhr von Wärme seinen Aggregatzustand, zum Beispiel von fest nach flüssig. Dieser physikalische Effekt, der in beide Richtungen funktioniert, nennt sich Phasenwechsel. Das Besondere dabei ist, dass sich bei dem Übergang vom einen zum anderen Aggregatzustand die Temperatur des Materials nicht oder nur geringfügig verändert. Die während des Phasenübergangs zugeführte Energie bleibt als latente, oder auch „verborgene“, Wärme im Stoff gebunden (von lateinisch latere, zu Deutsch: verborgen sein). Die so gespeicherte Energie kann auch nach einem längeren Zeitraum wieder freigesetzt werden. Je nach PCM benötigt man dafür einen Auslöser.

Der Ursprung latenter Wärme liegt in der Molekularstruktur von Stoffen: Beim Phasenübergang verändert sich der Abstand zwischen den Molekülen. Dabei wird physikalische Arbeit verrichtet, die potenzielle Energie des Stoffs ändert sich. Die Geschwindigkeit der Moleküle allerdings bleibt konstant, das heißt, die Temperatur bleibt unverändert.

Ein Beispiel aus dem Alltag für dieses physikalische Prinzip sind Eiswürfel. Sie können ein Getränk viel länger kühlen als schlicht kaltes Wasser. Denn beim Phasenübergang von Wasser zu Eis bei etwa 0 °C wird ungefähr so viel Wärmeenergie im Eis gespeichert, wie zum Erwärmen derselben Wassermenge von 0 auf 80 °C benötigt wird. Die Wärmeenergie wird beim Auftauen, also beim Phasenübergang von fest zu flüssig, in Form von Kälte wieder abgegeben. Aufgrund dieser Eigenschaft besitzen Latentwärmespeicher eine wesentlich höhere Speicherkapazität als normale Wasserspeicher. Sie können Wärme nahezu verlustfrei speichern.

Die Latentwärmespeicherung ist eine vergleichsweise junge Technologie im Bauwesen, die Geräte sind daher kostenintensiver als herkömmliche Wärmespeicher, sie können jedoch einen wichtigen Baustein beim Gelingen der Energiewende darstellen.

Arten von Latentwärmespeichern

Es gibt derzeit im Grunde drei Arten von Latentwärmespeichern, die sich hauptsächlich im verwendeten PCM unterscheiden:

Eisspeicher

Der Eisspeicher befindet sich meist komplett unter der Erdoberfläche und besteht aus einer Beton-Zisterne, die nicht isoliert ist. Darin befinden sich Spiralleitungen, die mit einer frostsicheren Flüssigkeit (Sole) gefüllt sind und über die sich die Wärmeenergie des Eisspeichers nutzen lässt. Die Spiralen dienen somit als Wärmetauscher. Meist befinden sich zwei Spiralsysteme in der Zisterne: ein Entzugswärmetauscher und ein Regenerationswärmetauscher. Gefüllt wird die Zisterne schließlich mit Wasser, das als PCM dient, in dem die Wärmeenergie gespeichert wird.

Eisspeicher sind üblicherweise mit einer Wärmepumpe und einer Solarthermieanlage kombiniert. Im System befindet sich außerdem ein herkömmlicher Warmwasserspeicher. In der warmen Jahreszeit wird überschüssige Sonnenenergie dem Eisspeicher zugeführt und auf niedrigem Temperaturniveau gespeichert. Muss im Winter die Wärmepumpe Wärme für Heizung und Warmwasser erzeugen, nutzt sie dafür die in der Zisterne gespeicherte Wärmeenergie. Beim Entziehen der Wärme wird das Wasser im Eisspeicher abgekühlt, gleichzeitig wird über den Solarabsorber jedoch wieder Regenerationswärme zugeführt. Auch das umgebende Erdreich trägt zur Regeneration bei. Das Eis im Eisspeicher, das während des Winters entsteht, kann im Sommer zur Kühlung des Gebäudes genutzt werden (natural cooling). Dieser Prozess kann beliebig oft wiederholt werden, weswegen Eisspeicher nahezu wartungsfrei sind.

Ein grober Anhaltswert für die Dimensionierung: Ein zehn Kubikmeter großer Eisspeicher kann die gleiche Energiemenge liefern wie die Verbrennung von 110 Liter Heizöl. Ein Eisspeicher arbeitet am effizientesten im Bereich des Phasenwechsels, der sich bei Wasser um 0 °C bewegt. Eisspeicher sind genehmigungsfrei, da keine tiefen Bohrungen vorgenommen werden müssen, und sie sind förderfähig.

Paraffinwärmespeicher

Ebenfalls in Kombination mit einer Solarthermieanlage lassen sich Paraffinwärmespeicher einsetzen. Gegenüber herkömmlichen Wasserspeichern besitzen Paraffinspeicher die fünffache Speicherkapazität, wobei sie lediglich ein Drittel des Platzes benötigen. Paraffin bietet zudem den Vorteil, dass seine Schmelztemperatur im Bereich von 60 °C liegt, was für viele Anwendungen ein besser nutzbarer Bereich ist.

Thermobatterie mit Salz

Diese Latentwärmespeicherart nutzt Natriumacetat, das Natriumsalz der Essigsäure, als Speichermedium. Die mit dem Salz gefüllten Speicherbaugruppen aus Edelstahl, auch Cluster genannt, sind mit Rohren, Ventilen und einer elektronischen Steuerung gekoppelt. Das System basiert auf dem Phasenwechsel bei rund 60 °C von festem Natriumacetat zum flüssigen Zustand.

Der Speicher nutzt darüber hinaus ein zweites physikalisches Phänomen, das der „unterkühlten Schmelze“. Dabei bleibt das Speichermedium unter bestimmten Bedingungen auch dann flüssig, wenn es wieder unter den Schmelzpunkt abkühlt. So ist es möglich, dass bis zu zwei Drittel der zugeführten Wärme aus einer Solarthermieanlage im Phasenübergang fest/flüssig im Cluster gebunden werden. Wenn die Wärme aus dem Kollektorkreislauf das Salz in der Cluster-Röhre zum Schmelzen gebracht hat, kann die Thermobatterie die latente Wärme zeitlich unbegrenzt und verlustfrei speichern. Über einen Schaltimpuls eines Metallplättchens kann sie für die Heizung dann bei Bedarf auch Monate später abgerufen werden.

Bedeutung für die Energiewende

Entscheidend für das Gelingen der Energiewende ist die Möglichkeit, Energie auch über längere Zeiträume speichern zu können, wodurch die Gewinnung von Wärmeenergie und deren Nutzung zeitlich voneinander entkoppelt werden. Die Wärme, die in unseren Breitengraden im Sommer zunehmend in großen Mengen vorhanden ist, sollte idealerweise mindestens zum Teil im Winter nutzbar gemacht werden. Latentwärmespeicher können hier einen wertvollen Beitrag leisten, da sie auf einem einfachen physikalischen Prinzip basieren, das beliebig oft wiederholt werden kann und sie nahezu wartungsfrei macht.

Fachwissen zum Thema

Bauwerke zum Thema