Faseveranderingsmaterialen (PCM)

Wat is het?

Één van de manieren om energie op te slaan is door het gebruik van fase­veranderings­materialen. Vaak wordt de Engelse naam, phase changing materials, en bijbehorende afkorting, PCM, gebruikt. Bij fase­veranderings­materialen wordt gebruikt gemaakt van de energie die nodig is om een stof van de ene fase naar de andere fase te krijgen. In veruit de meeste gevallen gaat het hier om de overgang tussen vast en vloeistof. Denk hierbij bijvoorbeeld aan ijs (vast) dat overgaat in water (vloeistof). Het ook mogelijk om de faseovergang van vloeistof naar gas te gebruiken, maar vanwege praktische redenen wordt dit minder vaak toegepast. In het vervolg van deze uitleg zal de faseovergang van vast naar vloeistof worden gebruikt. Een belangrijke eigenschap van een faseovergang is dat zolang als de stof niet volledig in één fase zit, de temperatuur van de stof niet stijgt.

Als een stof van vast naar vloeistof overgaat is daar relatief veel energie voor nodig. Deze hoeveelheid energie heet de smeltwarmte (heat of fusion) en is gedefinieerd als kJ/kg of kJ/mol. De smeltwarmte is vaak meerdere ordes van grootte hoger dan de soortelijke warmte. Dat laatste is de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van één kilogram van een bepaalde stof met 1 graad te verhogen. Neem als de ijs/water overgang als voorbeeld. De soortelijke warmte van ijs is ongeveer 2 kJ/(kg·K) en die van water zo’n 4.2 kJ/(kg·K). De smeltwarmte van de overgang ijs naar water is 334 kJ/kg. In de praktijk betekent dit dus dat je slechts 2 kJ nodig hebt om een blok ijs van 1 kilogram van -1 °C naar 0 °C op te warmen, maar liefst 334 kJ om ditzelfde blok ijs volledig te laten smelten naar water, en slechts 4.2 kJ om dit water te laten stijgen van 0 °C naar 1 °C.

Dit voorbeeld laat goed zien dat er dus relatief veel energie nodig is om een faseverandering te laten plaatsvinden, terwijl gedurende dit proces de temperatuur van de stof onveranderd blijft. Dit zijn dan ook precies de twee eigenschappen waarom PCM worden gebruikt om energie op te slaan. PCM werken daardoor namelijk als een energiebuffer.

PCM worden in toenemende maten toegepast in de wanden van grotere gebouwen. Dit werkt als volgt: Als het temperatuur van een gebouw hoger is of wordt dan het smeltpunt van de PCM, zal de stof in de PCM smelten naar de vloeibare fase. Hiervoor is relatief veel energie (in de vorm van warmte) voor nodig, zoals beschreven in de vorige paragraaf. Deze warmte wordt echter onttrokken uit het gebouw, waardoor dit gebouw koeler blijft (of in ieder geval minder snel opwarmt). Als het gebouw op een ander tijdstip weer koeler is of wordt dan de PCM, , bijvoorbeeld ’s nachts, is de temperatuur dus lager is dan het smeltpunt van de PCM. In zo’n situatie gebeurt het omgekeerde. De PCM zal door te stollen overgaan van vloeibaar naar vast. Bij dit proces komt energie vrij in de vorm van warmte, wat ervoor zorgt dat het gebouw opwarmt (of in ieder geval minder snel afkoelt).

Tot nu toe werd gesproken over ‘de PCM’, maar in werkelijkheid zijn er talloze PCM materialen. Elk PCM materiaal heeft zijn eigen smeltpunt, en dit bepaalt dan ook de applicaties waar het voor kan worden gebruikt. PCM’s die in gebouwen worden toegepast hebben vaak een smeltpunt tussen de 20 en 24 °C. Er zijn twee typen PCM materialen die vaak worden gebruikt: organische PCM’s en zouthydraten. Organische PCM zijn bijvoorbeeld paraffines, en zouthydraten zijn zouten opgelost in water.

Hoewel deze PCM materialen dus een relatief hoge smeltwarmte hebben waardoor ze veel energie kunnen opnemen, hebben ze een erg slechte warmtegeleiding. Dat betekent dat de energie (warmte) niet makkelijk van de omgeving in de PCM gaat en andersom. Daarom moeten PCM in containers of capsules gedragen worden die de warmteoverdracht van de omgeving naar PCM versnellen. Er zijn meerdere verschijningsvormen van PCM’s, de belangrijkste zijnde een vloeistof of gel in handzame omhullende verpakkingen en microcapsules.