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- Was ist das?
- Wo ist der Einsatz sinnvoll?
- Wie nachhaltig ist es?
- Stand der Technik
- Beispiel-Projekte
Was ist das?
Eine Möglichkeit der Energiespeicherung besteht in der Verwendung von Phasenwechselmaterialien. Häufig wird die englische Bezeichnung „Phase Changing Materials“ und die entsprechende Abkürzung „PCM“ verwendet. Phasenwechselspeicher nutzen die Energie, die erforderlich ist, um einen Stoff von einer Phase (bzw. einem Aggregatzustand) in eine andere zu überführen. In den allermeisten Fällen handelt es sich dabei um den Übergang zwischen fest und flüssig. Denken Sie zum Beispiel an die Umwandlung von Eis (fest) in Wasser (flüssig). Es ist auch möglich, den Phasenübergang von flüssig zu gasförmig zu nutzen, aber aus praktischen Gründen wird dies seltener angewendet. Im weiteren Verlauf dieser Erklärung wird der Phasenübergang von fest zu flüssig verwendet. Eine wichtige Eigenschaft eines Phasenübergangs ist, dass sich die Temperatur des Stoffes trotz zu- oder abfließender Energie nicht ändert, solange er sich nicht vollständig in einer Phase befindet. Diese so im Stoff enthaltene Energie, welche sich nicht durch eine Temperaturänderung, sondern durch den Phasenwechsel äußert, nennt man auch latente Wärme, weshalb auch von Latentwärmespeicher gesprochen wird.
Wenn ein Stoff vom festen in den flüssigen Zustand übergeht, wird eine relativ große Menge an Energie benötigt. Diese Energiemenge wird als Schmelzwärme bezeichnet und in kJ/kg oder kJ/mol angegeben. Die Schmelzwärme ist oft um mehrere Größenordnungen höher als die spezifische Wärme oder spezifische Wärmekapazität. Letzteres ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Kilogramms eines bestimmten Stoffes um ein Kelvin (≙ 1 Grad Celsius) zu erhöhen. Nehmen wir als Beispiel den Übergang von Eis zu Wasser. Die spezifische Wärmekapazität von Eis beträgt etwa 2 kJ/(kg·K) und die von Wasser etwa 4,2 kJ/(kg·K). Die Schmelzwärme beim Übergang von Eis zu Wasser beträgt 334 kJ/kg. In der Praxis bedeutet dies, dass man nur 2 kJ benötigt, um einen Eisblock von 1 Kilogramm von -1 °C auf 0 °C zu erwärmen, jedoch 334 kJ, um denselben Eisblock vollständig zu Wasser zu schmelzen, und nur 4,2 kJ, um dieses Wasser von 0 °C auf 1 °C zu erwärmen.
Dieses Beispiel zeigt deutlich, dass eine relativ große Energiemenge erforderlich ist, um eine Phasenänderung herbeizuführen, während die Temperatur des Stoffes während dieses Prozesses unverändert bleibt. Dies sind genau die beiden Eigenschaften, warum PCM zur Energiespeicherung verwendet werden. PCM fungiert also als Temperaturpuffer und Energiespeicher.
PCM werden zunehmend in den Wänden größerer Gebäude eingesetzt. Dies funktioniert folgendermaßen: Wenn die Temperatur in einem Gebäude höher ist oder wird als der Schmelzpunkt des PCM, schmilzt der Stoff im PCM in die flüssige Phase. Wie im vorigen Abschnitt beschrieben, erfordert dies eine relativ große Menge an Energie (in Form von Wärme). Diese Wärme wird jedoch dem Gebäude entzogen, so dass das Gebäude kühler bleibt (oder sich zumindest weniger stark aufheizt). Wenn das Gebäude zu einem anderen Zeitpunkt, z. B. nachts, kühler ist oder wird als das PCM, ist die Temperatur daher niedriger als der Schmelzpunkt des PCM. In einer solchen Situation geschieht das Gegenteil. Das PCM erstarrt und wechselt seine Phase von flüssig zu fest. Bei diesem Prozess wird Energie in Form von Wärme freigesetzt, wodurch sich das Gebäude erwärmt (oder zumindest weniger schnell abkühlt).
Zuvor wurde in der Erläuterung von „dem PCM“ gesprochen, aber in Wirklichkeit gibt es zahlreiche Phasenwechselmaterialien. Jedes Phasenwechselmaterial hat seinen eigenen Schmelzpunkt, und dieser bestimmt, für welche Anwendungsbereiche es verwendet werden kann. Die in Gebäuden verwendeten PCM haben oft einen Schmelzpunkt zwischen 20 und 24 °C. Es gibt zwei Arten von Phasenwechselmaterialien, die häufig verwendet werden: organische PCM und Salzhydrate. Organische PCM sind z. B. Paraffine, und Salzhydrate sind in Wasser gelöste Salze. Obwohl diese Phasenwechselmaterialien eine relativ hohe Schmelzwärme haben und viel Energie aufnehmen können, haben sie eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit. Das bedeutet, dass die Energie (Wärme) nicht ohne Weiteres von der Umgebung in das PCM fließen kann und andersherum. Daher muss das PCM in Behältern oder Kapseln verpackt werden, welche die Wärmeübertragung von der Umgebung auf das PCM beschleunigen. Es gibt verschiedene Erscheinungsformen von PCMs, die wichtigsten sind eine Flüssigkeit oder ein Gel in handlichen Ummantelungen und Mikrokapseln.
Wo ist der Einsatz sinnvoll?
Phasenwechselmaterialien sind vor allem für große, neue Gebäude geeignet. Da PCMs in die Wände eines Gebäudes eingebaut werden müssen, werden sie im Allgemeinen vor allem in Neubauten verwendet, da hierfür keine bestehenden Wände aufgebrochen werden müssen. Was den Gebäudetyp betrifft, so eignen sie sich besonders für Büros und andere große Gebäude, da diese oft schwieriger zu beheizen sind als kleinere Gebäude. Dennoch können PCMs auch in Wohnungen verwendet werden. Durch die „Dämmung“ eines Hauses mit Phasenwechselmaterial wird der Energiebedarf des Hauses gesenkt. So kann ein Haus z. B. mit einer kleineren und billigeren Wärmepumpe auskommen. Ein weiterer Ort, an dem PCMs häufig eingesetzt werden, sind Rechenzentren. Deren große Räume können sehr heiß werden, aber durch die Verwendung von PCMs ist es einfacher, die Temperatur konstant zu halten. PCMs werden übrigens nicht nur zur Energiespeicherung und zur Stabilisierung von Temperaturschwankungen eingesetzt. Häufig sind kleine PCMs auch Bestandteil elektronischer Bauteile.
Wie nachhaltig ist es?
Phasenwechselmaterialien sind eine passive Form der Energiespeicherung, bei der keine externe Energie zum Heizen oder Kühlen des Gebäudes benötigt wird. Dies ist einer der Hauptgründe, warum PCMs als nachhaltig gelten. Außerdem haben PCMs oft eine längere Lebensdauer als die Anwendung, in der das PCM eingesetzt wird, so dass das PCM nicht zwischendurch ausgetauscht werden muss.
Neben der Anwendung des PCM gibt es natürlich auch einen Nachhaltigkeitsaspekt bei der Art und Weise, wie PCMs hergestellt werden und welche Rohstoffe verwendet werden. Dies ist je nach PCM-Typ unterschiedlich. Organische PCMs sind häufig ein Nebenprodukt von Erdöl oder werden aus Tieren oder Pflanzen gewonnen. Salzhydrate werden häufig aus natürlichen Salzen aus dem Meer oder einem Mineralvorkommen hergestellt oder als Nebenprodukt anderer Prozesse gewonnen. Inwieweit dies PCMs nachhaltig macht, ist durchaus diskutabel. Einerseits ist die Erdölförderung kein nachhaltiger Prozess, also könnte man argumentieren, dass auch die zusätzlichen PCM-Rohstoffe nicht nachhaltig sind. Andererseits ist PCM ein Nebenprodukt der Ölförderung, so dass man argumentieren könnte, dass durch die Verwendung dieses Nebenprodukts der Rohstoff Öl effizient genutzt wird.
Stand der Technik
Viele Experten sind sich einig, dass PCM eine vielversprechende Technologie ist. Ein Problem ist derzeit noch der Preis. Organisches PCM wird am häufigsten verwendet, aber die Materialkosten liegen oft zwischen 20 und 40 Dollar pro kWh Speicherkapazität. Das macht sie für den Einsatz in Gebäuden zu teuer. PCM aus Salzhydraten ist zu einem Preis von weniger als 2 $ pro kWh erhältlich, aber aufgrund der technischen Herausforderungen ist die Integration dieser Art von PCM oft sehr teuer. Es gibt Entwicklungen, die sowohl die Materialeigenschaften als auch den Preis von PCMs verbessern.
In den letzten Jahren hat sich der Umfang des PCM-Marktes erweitert. Obwohl verschiedene Quellen leicht unterschiedliche Schätzungen darüber abgeben, wie schnell der PCM-Markt gewachsen ist, sind sie sich einig, dass der PCM-Markt gewachsen ist. Darüber hinaus wird erwartet, dass der Markt in den kommenden Jahren weiter wachsen wird, ebenso wie die Zahl der Anbieter von Phasenwechselmaterialien.
Auch im technischen Bereich werden PCMs immer attraktiver. Unternehmen und Wissenschaftler arbeiten jetzt vor allem an PCMs, die eine hohe Schmelzwärme, aber auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zur Verdeutlichung: Ersteres bestimmt, wie viel Energie ein PCM aus der Umgebung aufnehmen oder an sie abgeben kann, Letzteres bestimmt, wie schnell ein PCM Energie aufnehmen oder abgeben kann. Derzeit ist vor allem die Wärmeleitfähigkeit noch eine Schwäche der PCMs.
Beispiel-Projekte
Es gibt mehrere Projekte, bei denen PCM angewendet wurde:
- Runder Pavillon von ABN Amro auf der Amsterdam Zuidas.
- Niederländisches Krebsinstitut in Amsterdam.
- Schwimmender Pavillon in Rotterdam.
- Hauptsitz von Wilo Nederland in Westzaan
- Stadion der Fußballweltmeisterschaft 2022 in Doha, Katar.
- Das neue Terminal T3 auf dem Flughafen von Bergen, Norwegen.