Vor- und Nachteile soll man wissen

Wärmespeicherkapazität

Der Vorteil eines PCMs liegt in der Nutzung der latenten Wärme während des Phasenwechsels. Ein geringerer, aber nicht zu vernachlässigender Teil, wird als sogenannte sensible (fühlbare) Wärme gespeichert. Daher sollte ein PCM auch gleichzeitig über eine hohe spez. Wärmespeicherkapazität verfügen.

Wärmeleitfähigkeit

Normalerweise ist für eine schnelle Be- und Entladung eines PCM-Speichers eine hohe spez. Wärmeleitfähigkeit erforderlich.

Wie nahezu alle organischen Stoffe, so haben Latentwärmeparaffine eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit. Diesen scheinbaren Nachteil werden durch die grosse Oberfläche der EnergyBalls kompensiert.

Volumenausdehnung

Jeder Stoff ändert beim Phasenwechsel seine Dichte und damit auch sein Volumen. Die EnergyBalls berücksichtigen das Ausdehnungsvolumen direkt an der Quelle, um Überdrücke im Speicherbehälter zu vermeiden.

Unterkühlung

Von Unterkühlung spricht man, wenn die Erstarrungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur liegt. Idealerweise soll jedoch nicht nur die gesamte gespeicherte Wärme nutzbar sein, sondern sie soll auch das gleiche Temperaturniveau besitzen, wie bei der Einspeicherung. Im Gegensatz zu anderen bekannten PCMs weisen EnergyBalls praktisch keine Unterkühlungserscheinungen auf.

Zyklenstabilität

Ein PCM durchläuft im Laufe seines "Lebens" sehr viel Be- und Entladezyklen. Hierbei sollte sich das Speichermaterial in seinen wärmetechnischen Eigenschaften möglichst nicht ändern, d. h., Änderungen der Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur sowie der Speicherkapazität sollten nicht auftreten.

EnergyBall PCMs sind im Gegensatz zu vielen anderen PCMs alterungsbeständig und zyklenstabil, da keine chemischen Reaktionen während des Speicherbetriebes im Speichermaterial bzw. gegenüber Wärmetransportmitteln und Anlagenwerkstoffen auftreten. Aufschmelzen und Erstarren ist ein rein physikalischer Vorgang. Aus diesem Grund ist die Wärmespeicherkapazität über die gesamte Lebensdauer auf konstant hohem Niveau.

Überhitzungen

Aus verschiedenen Gründen kann es vorkommen, dass die Temperaturen eines Systems für kurze Zeit höher liegen als vorgesehen. Diese Überhitzung führt neben einem höheren sensiblen Wärmeinhalt u. U. aber zu einer Beeinträchtigung des Produktes.

Korrosivität

Ein wichtiger Aspekt für ein PCM ist auch sein Verhalten gegenüber Werkstoffen und Arbeitsmedien. Idealerweise sollte das PCM nicht mit ihnen reagieren, um Korrosion und andere nachteilige Effekte zu vermeiden.

Latentwärmeparaffine sind gegenüber fast allen Materialien inert, d. h. sie reagieren chemisch nicht mit ihnen. Schon in der Namensgebung der Paraffine kommt dies zum Ausdruck: "parum affinis" - praktisch keine chemische Reaktion. Nicht ohne Grund werden Paraffine z. B. zur Hohlraumversiegelung und zum Lackschutz in der Autoindustrie eingesetzt.

Ökologie

Latentwärmeparaffine mit einem Schmelzpunkt über 27 °C sind ökologisch unbedenkliche Stoffe und nicht wassergefährdend (Anhang I VwVws; KBwS-Liste, Kenn-Nr. 268), ehemals Wassergefährdungsklasse 0. Sie sind weder toxisch noch gesundheitsschädlich. Sie sind recycelbar und biologisch abbaubar. Vollraffinierte Paraffine entsprechen den deutschen (BgVV) und FDA Reinheitsvorschriften für Produkte, die mit Lebensmitteln in Kontakt kommen.

Aus den genannten Gründen werden sie auch in der Lebensmittelindustrie (z. B. als Käseumhüllung) oder als Grundmaterial für Cremes und Salben eingesetzt.

Heizen

Für die effiziente Speicherung von Wärme sind konventionelle Wasserspeicher mit PCM geeignet:

  • Bestehende Wasserspeicher können einfach mit PCM aufgerüstet werden, wodurch sich die Speicherkapazität um mind. Faktor 4 ansteigt.
  • Die Phasenwechseltemperatur (Prozesstemperatur bei einer Fussbodenheizung z.B. 45 °C) kann anlagespezifisch festgelegt werden unter Berücksichtigung einer Bandbreite von 3-5 °C.
  • PCM eignet sich nicht für die isolierte Anwendung einer Warmwasserbereitung, da das Temperaturgefälle grösser als 10 K(elvin) beträgt.
  • Gegenüber konventionellen sensiblen Wärmespeichern (Wassertanks) wird mit PCM-Speichern eine hohe Energiedichte bei konstanter Betriebstemperatur realisierbar.

Mit PCM-Speichern lassen sich grosse Energiemengen reversibel und mit hohem Wirkungsgrad speichern. Bei moderaten Temperaturänderungen kann im Vergleich zur konventionellen Wärmspeicherung mittels fühlbarer Wärme beim Schmelzvorgang eine 10 bis 20-fach höhere Wärmespeicherdichte erzielt werden.

Kühlen

PCM-Speicher (Latentwärmespeicher) haben gegenüber konventionellen Anlagen vielfältige Vorteile:

  • Trotz sehr geringer Temperaturdifferenzen im Speichermedium können sehr hohe Energiespeicherdichten erzielt werden.
  • Prozesse, die bei konstanter Temperatur ablaufen sollen, können gleichmässiger betrieben werden.
  • Die Anlagenkomponenten wie Speicherbehälter, Pumpen, Rohrleitungen etc. können kleiner dimensioniert und damit kostengünstiger realisiert werden.
  • Systemerweiterungen können bei potenzielle Engpässen in der Leistung überbrückt werden.

In der Systemanwendung bedeutet dies, dass die Effizienz von Kälteanlagen durch eine gleichmässigere Lastverteilung höher wird und somit die Betriebskosten sinken. Ebenso kann Peak-Shaving betrieben werden und Lastspitzen in den Nachttarif verschoben werden.

Lösungen kennen

Das wesentliche Problem bei der technischen Umsetzung des PCM-Speichers liegt in dem unzureichenden Wärmetransport zwischen dem Speichermedium (PCM) und dem Wärmeträgerfluid (Heizungswasser).

Hauptgrund hierfür ist die im Allgemeinen niedrige Wärmeleitfähigkeit der organischen oder anorganischen Speichermedien, vorhandene Wärmeübergangs-Widerstände und eine zu geringe Wärmetauscherfläche. Die EnergyBalls haben in der Geometrie das grösstmögliche Interface zwischen Wärmespeichermaterial PCM und Wärmeträgermedium.