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Latentwärmespeicher

Gaskavernen in einem Salzstock. Latentwärmespeicher würden ähnlich aussehen. Quelle: BGR.

Ein Latentwärmespeicher (auch Phasenwechsel- oder PCM-Speicher) (PCM = phase change material) ist ein spezieller Typ von Wärmespeicher, der einen Großteil der ihm zugeführten thermischen Energie in Form von latenter Wärme (z. Bsp. für einen Phasenwechsel von fest zu flüssig) speichert. Die gespeichert Wärme ist verborgen (lateinisch latere, „verborgen sein“), da, solange die Phasenumwandlung nicht ganz abgeschlossen ist, die Temperatur eines Stoffes trotz Wärmezufuhr nicht weiter ansteigt. Latentwärmespeicher können daher in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel sehr große Wärmemengen speichern und übertreffen dabei Wärmespeicher, die nur die sensible Wärme eines Stoffes nutzen, wie etwa Heißwasserspeicher.

Da viele Stoffe mit unterschiedlichsten Schmelzpunkten als Phasenwechselmaterial in Frage kommen, können viele Speicheranwendungen vom Kälte- bis zum Hochtemperaturwärmespeicher mit dieser Technik abgedeckt werden. Die bekanntesten kommerziellen Anwendungen sind derzeit aber noch Kühlakkus und Wärmekissen.

Funktionsprinzipien

Latentwärmespeicher funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Das dabei am häufigsten genutzte Prinzip ist die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig und umgekehrt (Erstarren-Schmelzen). Beim Aufladen des Inhalts kommerzieller Latentwärmespeicher werden meist spezielle Salze oder Paraffine als Speichermedium geschmolzen, die dabei sehr viel Energie (Schmelzwärme) aufnehmen, wie z. B. Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat. Das Entladen findet beim Erstarren statt, wobei das Speichermedium die zuvor aufgenommene große Wärmemenge als Erstarrungswärme wieder an die Umgebung abgibt.

Bedeutung in der Geothermie

Zu geothermischen Hochtemperaturspeichern gehören auch die Höchsttemperaturspeicher, die nach der Ausspeicherung der Wärme eine Stromerzeugung ermöglichen. Diese ist zwar grundsätzlich ab ca. 115 ºC möglich (ORC), jedoch werden bei höheren Temperaturen (500 - 700ºC) wesentlich bessere Wirkungsgrade erreicht und es können übliche Wasserdampfturbinen verwendet werden. Hier kann insbesondere an eine Speicherung in Salzstöcken in Norddeutschland gedacht werden, wobei zu beachten ist, dass Steinsalz (bei 1bar) bei 801 ºC schmilzt. Das Aufschmelzen sollte bei konventionellen Höchsttemperaturspeichern wahrscheinlich aus technischen Gründen vermieden werden, es sei denn, der Speicher ist von vorn herein als Latentwärme-Seicher geplant.

Salzstöcke eignen sich wegen ihrer besonderen petrophysikalischen Eigenschaften besonders für die Anlage von Latentwärmespeichern, die eine Stromrückgewinnung gestatten. Salzstöcke stehen in Norddeutschland, also dem Land mit Windüberschuss, in ausreichender Zahl zur Verfügung (einige Tausend). Das Temperaturniveau (Schmelztemperatur des Steinsalzes) von über 800 °C ist sowohl aus technischer Sicht (Beherrschbarkeit) als auch aus thermodynamischer Sicht (Wirkungsgrad) ein guter Wert.

Hinzu kommt, dass NaCl mit etwa 411 kJ/mol eine deutlich höhere latente Schmelzenergie (Enthalpie) aufnimmt als vergleichweise Wasser mit ca. 286 kJ/mol. Die molare Masse des Steinsalzes ist dabei 58 g/mol, so dass die Schmelzwärme etwa 8 MJ/kg ist.

Bei einem darartigen Speicher müsste ein begrenztes Volumen in einem Salzstock aufgeschmolzen werden. Wegen der, zwar gegenüber anderen Gesteinen höheren aber dennoch kleinen Wärmeleitfähigkeit, ist ist nur mit geringen Wärmeverlusten zu rechnen (abhängig von der Speicherzeit). Aufgeschmolzen werden könnte das Salz (Einspeicherung) entweder durch ein geeignetes heisses Arbeitsmittel (Öl) oder direkt elektrisch (Tauchsieder). Zur Ausspeicherung wäre wiederum ein Arbeitsmittel notwendig.

Bedeutung in der Energieversorgung

Im Design einer nachhaltigen Energieversorgung spielen Speicher eine besondere Rolle. Sie sind notwendig, um (teilweise fluktuierende) Bereitstellung und Bedarf von Energie aneinander anzupassen. Da verschiedene Energieformen ineinander umgewandelt werden können, wenn auch vielfach mit unvermeidbaren Verlusten (Carnot) ist es nötig auch die Speicherarten sorgfältig anzupassen. Mechanische Speicher (Druckluft etc.), Stromspeicher (Batterien, Pumpspeicherkraftwerke) sind die wertvollsten, aber auch die bei Weitem teuersten Speicher. Es ist unsinnig, Strom als Strom zu speichern, wenn diese Energie letzlich nur  als Wärme genuzt werden soll. Hier sind dann Wärmespeicher um ein Vielfaches wirtschaftlicher.

Der Wert der Wärmespeicherung ist abhängig von der Temperatur, mit der die Wärmeenergie gespeichert wurde und von der Temperaturspreizung. Aus diesem Grund kommt Hoch- und Höchsttemperatur-Speichern eine besondere Bedeutung zu.

Latentwärmespeicher in der dargestellten Form, also insbesondere in Salzstöcken sind strategisch den Stromspeichern zuzurechnen.

Weblink

https://de.wikipedia.org/wiki/Latentwärmespeicher

https://de.wikibooks.org/wiki/Tabellensammlung_Chemie/_Thermodynamische_Daten

Literatur

Rundel, P., Benedikt Meyer, Martin Meiller, Inge Meer, Robert Daschner, Michael Jakuttis, Matthias Franke, Samir Binder, Andreas Hornung: Speicher für die Energiewende, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

zuletzt bearbeitet Januar 2020