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NT: Wärmespeicher


SEITE IM AUFBAU

... daher sind die Artikel noch lückenhaft.

Einleitung

Zuletzt bearbeitet 11.02.2022 
Vorab eine Zusammenfassung der wichtigsten Technologien von Wärmespeichern:
  • PHYSIKALISCHER SPEICHER: Ein Speicher, in dem Wärme (oder Kälte) unmittelbar eingefangen ist. Es werden Materialien (zumeist Flüssigkeiten, aber auch Festkörper bzw. Festkörper, die sich in einem Bad einer Flüssigkeit befinden) auf eine gewünschte Temperatur gebracht und dann wird die Wärme auf Grund einer sehr guten Wärmeisolierung auf diesem Niveau gehalten, bis eine aktive Entnahme der Wärme erfolgt.  
  • PHYSIKALISCH-CHEMISCHER SPEICHER: Ein Speicher, der das Phänomen nutzt, dass Materialien bei Veränderungen der Kristallstruktur (= Phasenübergänge) Wärme aufnehmen bzw. Wärme abgeben können.  
  • CHEMISCHER SPEICHER: Ein Prozess, der chemischen Reaktionswärme nutzt. Die chemisch reagierenden Materialen werden also bei der Wärmegewinnung verbraucht und es entsteht ein neues Material. Ein Speicherkonzept wird dann daraus, wenn es eine oder mehrere chemische Reaktionen gibt, die einen Kreislaufprozess möglich machen. Es muss also möglich sein, ausgehend vom Endprodukt der Reaktion wieder die ursprünglichen Reaktanden zu erzeugen. Die dafür notwendige Energie kann man auch als Wärmemenge ausdrücken.  
SpeichertypEignungweitere Info
PHYSIKALISCHER SPEICHERMittelzeitspeicher, also für die Überbrückung weniger Tage. Nicht als Saisonspeicher einsetzbar, da längerfristig signifikante Wärmeverlust durch die Isolierung hindurch unvermeidbar sind. Eine Wärmespeichertechnologie, die insbesondere geeignet erscheint, um einen kurzzeitigen Ausfall einer Heizungsanlage zu überbrücken.
PHYSIKALISCH-CHEMISCHERR SPEICHEREin sinnvoller Einsatz ist auf speziellen Industrieanlagen begrenzt (Erklärung siehe Begleittext) Die gewünschte Temperatur kann durch die Wahl des Speichermediums (genauer: durch die chemische Zusammensetzung) sehr gut eingestellt werden.
CHEMISCHER SPEICHERLangzeitspeicher; Industrieanlagenungeeignet für private Wohnhäuser wegen des Einsatzes von Chemikalien. Die speicherfähige Wärmemenge ist von der Chemie abhängig und nicht vom Gewicht. Daher ist diese Technologie auch für Speicher geeignet, die sich an Bord eines Transportmittels befinden.

PHYSIKALISCHER SPEICHER

Zuletzt bearbeitet 11.02.2022 
Dies ist keine neue Technologie und sei hier nur der Vollständigkeit halber genannt.
Charakteristisch ist die einfache Bauweise, jedoch bei effizienten Systemen kombiniert mit einem sehr hohen technischen und damit auch finanziellem Aufwand für die Wärmeisolierung. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eignung verschiedener Materialien als Wärmeträger.
Material Wärmekapazität per kg
kJ/(kg * K)		Wärmekapazität pro Volumen
kJ/(Liter* K)
Luft1.00.001
Fichtenholz2.71.1
Blei0.11.1
Buchenholz2.01.4
Eichenholz2.41.4-1.9
Lötzinn Sn60Pb400.171.5
Sandstein0.71.5-1.6
Zinn0.221.6
Wärmeträgeröl2.0-2.21.6-2.0
Lötzinn Sn96Ag40.231.7
Paraffin2.11.8
Sand/Kies0.85-1.21.9
Beton1.02.0
Kalkstein1.02.0
Aluminium0.92.5
Gneis1.02.4-2.7
Glykol2.52.8
Granit0.93.1
Kupfer0.43.6
Eisen/Stahl0.45-0.553.6-4.1
Wasser4.194.2
Zuletzt bearbeitet 11.02.2022 
Sowohl von den technischen Daten her, wie auch insbesondere aus Preisgründen ist Wasser das beste Wärmeträgermaterial bezogen auf das Volumen wenn es um Wärmespeicherung für Wohnheizung geht. Die Temperatur sollte dort für Dusche, Warmwasser und Fußbodenheizung mindestens 40oC betragen und als Maximaltemperatur (zum Schutz der Anlage) erscheint 75oC sinnvoll.
Anders sieht es aus bei industriellen Prozessen, die eine deutlich höhere Vorlauftemperatur (z.B. mindestens 150oC) benötigen. Hier muss als Wärmeträger entweder Wasser unter hohem Druck (bis 35 bar) eingesetzt werden, oder man verwendet spezielles, alterungsbeständiges Wärmeträgeröl, was jedoch nur eine geringere Wärmekapazität aufweist. Bei der Verwendung von Wärmeträgeröl kann es auch sinnvoll sein, im Speicher das Trägeröl um Material mit einer höheren Wärmekapazität (z.B. Granitsteine) herumfließen zu lassen. Die resultierende Wärmespeicherwirkung entspricht dann eher der Wärmekapazität des Feststoffs.
WärmeträgerGenutztes TemperaturintervallWärmekapazität (aufsummiert)
kJ/Liter
Wasser40-75 oC147 (= 35*4.2)
Wasser unter Druck
ca. 10 bar		150-180 oC125 (= 30*4.2)
Wärmeträgeröl150-180 oC 48-60 (= 30*1.6 bzw. 30*2.0)
50% Wärmeträgeröl
50% Granitsteine		150-180 oC 70-80 (= 30*2.3 bzw. 30*2.6)

PHYSIKALISCH-CHEMISCHER SPEICHER

Zuletzt bearbeitet 11.02.2022 
Die Verwendung des englischen Begriffes PCM (phase-change-materials) führte dazu, dass diese Technologie als bahnbrechend wahrgenommen wird. Aber ist diese Einschätzung richtig?
Tatsächlich besitzen einige Materialen eine sehr hohe Schmelz- bzw. Umwandlungswärme. Wenn dann der Schmelzpunkt /-bereich bzw. der Umwandlungspunkt/-bereich genau in dem Bereich liegt, der für die Anwendung interessant ist, dann erscheint ein mit PCM-Material gefüllter Wärmespeicher ausgesprochen attraktiv zu sein. Hier einige ausgesuchte Daten dazu:
LABORDATEN
Material 		Wärmekapazität am Umwandlungspunkt
kJ/kg		Wärmekapazität am Umwandlungspunkt
kJ/Liter
Salzhydrat STL-47
[Umwandlungspunkt: 47C] 		220 295
Paraffin RT-54
[Umwandlungspunkt:54C] 		180 160
Salzhydrat STL-55
[Umwandlungspunkt:55C] 		240 310
Paraffin RT-65
[Umwandlungspunkt: 64C] 		170 155
Zuletzt bearbeitet 10.02.2022 
Diese vordergründig sehr attraktiven technischen Angaben werden aber dadurch relativiert, dass es nicht möglich ist, die PCM-Wärmeträger zu 100% zu verwenden. Das ist auch logisch, wenn man bedenkt das in der Regel eine Umwandlung fest-flüssig bzw. fest-fest erfolgt, aber das Wärmeträgermedium normalerweise über den gesamten Temperaturbereich flüssig sein muss. Man hat dieses Problem dadurch technisch gelöst, dass das PCM-Wärmeträgermaterial in Mikrokügelchen eingeschlossen wird, und die Mikrokügelchen dann als gelöste Suspension mit einer Flüssigkeit transportiert werden. Allerdings hat diese Mikrokügelchen-Technologie den Effekt, dass der PCM-Materialanteil in der Suspension auf ca. 35-40% absinkt. Die obige Tabelle wäre demnach praxisrelevant zu korrigieren wie folgt:
PRAXIS-RELEVANTE DATEN
Material 		Wärmekapazität am Umwandlungspunkt
kJ/kg		Wärmekapazität am Umwandlungspunkt
kJ/Liter
35% Salzhydrat STL-47 in Wasser
[Umwandlungspunkt: 47C] 		77 80
35% Paraffin RT-54 in Wasser
[Umwandlungspunkt:54C] 		65 60
Salzhydrat STL-55
[Umwandlungspunkt:55C] 		84 90
Paraffin RT-65
[Umwandlungspunkt: 64C] 		60 60
Zuletzt bearbeitet 11.02.2022 
Es wird ersichtlich, dass die PCM-Technologie zumindest im Niedrigtemperaturbereich (Wohnungsheizung) keine Vorteile gegenüber der klassischen physikalischen Wasserwärmespeichern zeigt. Und auch kostenmäßig wird die PCM-Technologie so lange deutlich teurer sein, wie künstlich hergestellt Paraffine teuer sind als normales Wasser.

CHEMISCHER SPEICHER

Zuletzt bearbeitet 09.02.2022 
Eigentlich nichts neues: Grundsätzlich handelt es sich hierbei um chemische Reaktionen, die abhängig von der Temperatur bevorzugt in die eine oder andere Richtung verlaufen und dabei Energie aufnehmen bzw. - wenn die Reaktion in die andere Richtung geht - wieder abgeben.