DE102005023278A1

DE102005023278A1 - Latentspeichermaterial

Info

Publication number: DE102005023278A1
Application number: DE200510023278
Authority: DE
Inventors: Thomas Freitag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-05-18
Filing date: 2005-05-18
Publication date: 2006-11-23

Abstract

Latentspeichermaterial auf der Basis eines semikongruent schmelzenden Salzhydrates, wie z. B. Natriumacetat - Trihydrat, bei dem es über viele Schmelz- und Erstarrungszyklen zur Entmischung kommen kann, wird 0,5-10% Polyacrylsäure zugesetzt, um ein langzeitstabiles Speichermedium zu erhalten.

Description

Grundlage der Nutzung regenerativer Energien wie z.B. der Solarenergie in unseren Breitengraden ist eine effektive Speicherung. Dabei muss die zeitliche Diskrepanz zwischen Angebot und Nachfrage kompensiert werden. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren verstärkt Anstrengungen unternommen, um das Problem der Wärmespeicherung mit Hilfe neuer Technologien zu lösen. Große Erwartungen wurden dabei in die Entwicklung der Latentwärmespeicher gesetzt. Wirtschaftliche, aber auch technische Probleme haben, trotz aller Bemühungen, noch nicht zum erwarteten Durchbruch geführt. Eines der großen Probleme ist dabei die mangelnde Langzeitstabilität mancher Speichermaterialien.
Stand der Technik
Viele Versuche wurden unternommen, um Latentspeicher auf der Basis von Natriumacetat-Trihydrat zu entwickeln. Dieses Material hat eine hohe Schmelzenthalpie und einen relativ geringen Preis.
Ursache für die fehlende Langzeitstabilität von Natriumacetat – Trihydrat (NaCH₃COO-3H₂O) ist sein semikongruentes Schmelzverhalten. Dies ist gekennzeichnet durch das Vorliegen eines peritektischen Punktes. Wird festes Natriumacetat – Trihydrat erwärmt, so kommt es bei Erreichen des peritektischen Punktes von etwa 57°C zu einer Verschiebung des stöchiometrischen Verhältnises von 60,29% Natriumacetat (NaCH₃COO) und 39,71% Wasser (3H₂O) in der festen Verbindung auf etwa 58% Natriumacetat und 42% H₂O in der flüssigen Verbindung. Da die absoluten Stoffmengen konstant bleiben, existiert zeitweise eine nicht mehr gebundene Menge wasserfreies Natriumacetat.
Bei weiterer Erhöhung der Temperatur ändert sich das stöchiometrische Verhältnis der Flüssigkeit unter Auflösung des festen, wasserfreien Natriumacetates in dem wieder freiwerdenden Wasser. Bei einer Temperatur von etwa 66°C entspricht die Zusammensetzung der flüssigen Phase wieder exakt dem stöchiometrischen Verhältnis von 60,29% Natriumacetat und 39,71% H₂O in der festen Phase unterhalb des peritektischen Punktes von 57°C.
Da die Dichte des zeitweise entstehenden wasserfreien Natriumacetates höher ist als die der flüssigen Phase, kommt es bei häufigem Durchlaufen dieses Gebietes zum Absinken des Acetates und folglich zu einer Entmischung. Das führt zu einer dauerhaften Änderung der physikalischen Eigenschaften, besonders zu einer Verringerung der Schmelzenthalpie. Eine daraus resultierende Mischung ist für den technischen Einsatz als Wärmespeicher unbrauchbar.
In der Literatur werden verschiedene Möglichkeiten genannt, die Stabilität von Natriumacetat -Trihydrat beim Einsatz als Speichermedium zu erhöhen. U.a. wird in US 4 231 885 Torfmoos verwendet, um das Anhydrit am Absinken zu hindern. Es ist allerdings keine Substanz bekannt, die nachweislich über einen beliebigen Zeitraum das Entmischen von Natriumacetat – Trihydrat verhindert. Ursache dafür ist die fehlende thermische, bzw. chemische Stabilität der zugesetzten Stoffe. Eine erfolgreiche Verhinderung der Stratifikation ist nur möglich, wenn die während des Phasenwechsels entstehenden niedrigen Salzhydrate, bzw. das Anhydrit, zeitweise chemisch oder physikalisch gebunden werden und nach dem Phasenübergang wieder abgegeben werden können.

Beschreibung der Erfindung

Zur Lösung des Problems der Entmischung wird der Zusatz von Polyacrylsäure vorgeschlagen. Aufgrund der sehr starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Polymerketten ist Polyacrylsäure nahezu unlöslich in Wasser.

In geschmolzenem Natriumacetat-Trihydrat hingegen ist Polyacrylsäure unter Bildung von Essigsäure gut löslich (siehe 1. Die Viskosität der Lösung erhöht sich sehr stark. Die Carboxylgruppe gibt ein Wasserstoffion ab, an dessen Stelle das Na⁺-Ion durch Ionenbindung an die negativ geladenen Sauerstoffatome gebunden wird.

Zu der Reaktion nach 1 kommt es nur an einem Teil der Carboxylgruppen (siehe 2). Infolge der negativen Ladung und der dadurch auftretenden Abstoßung kommt es zu einer Streckung des Makromoleküls, die mit einer weiteren Erhöhung der Viskosität einhergeht. An den negativ geladenen Carboxylgruppen kommt es teilweise zur Anlagerung des positiv geladenen Na⁺-Ions. Dabei kann auch ein Na⁺-Ion an zwei Carboxylgruppen gebunden sein, woraus eine Vernetzung der Molekülketten untereinander folgt. Dies hat ebenfalls einen Anstieg der Viskosität zur Folge. Dabei hat sich gezeigt, dass die Viskosität mit steigendem Polyacrylsäure-Anteil stark anwächst. Bei nur 1,5% PAS steigt die Viskosität bei einer Temperatur von 85°C auf etwa 100 Pa s, was in etwa der Viskosität von Bienenhonig bei Raumtemperatur entspricht. Durch die hohe Viskosität kommt es in einer solchen Mischung nicht zum Absetzen von Anhydrit.

Um eine Aussage über die Einsatzfähigkeit des mit Polyacrylsäure modifizierten Natriumacetat-Trihydrats treffen zu können, wurden verschiedene Langzeitversuche durchgeführt. Dabei wurde das Speichermedium, eine Mischung von Natriumacetat-Trihydrat mit 1,5% Polyacrylsäure, 1100 Mal von etwa 30°C auf 80°C aufgeheizt, d.h. geschmolzen und wieder abgekühlt, wobei es erstarrte. Um mögliche Entmischungserscheinungen zu erkennen, wurde der Behälter während der Versuche in absoluter Ruhe belassen. Die physikalischen Eigenschaften nach den Dauerversuchen, insbesondere auch die Schmelzenthalpie, entsprachen den Werten zu Beginn der Dauerversuche. Zu einer Entmischung ist es nicht gekommen. Eine Mischung von Natriumacetat-Trihydrat (NaCH₃COO·3H₂O) mit 1,5% Polyacrylsäure ist folglich langzeitstabil.

Claims

Latentspeichermaterial, bestehend aus einem semikongruent schmelzenden Salzhydrat, z.B. Natriumacetat-Trihydrat, mit einer Phasenübergangstemperatur im Bereich von 0–100°C, welchem Polyacrylsäure in einem Anteil von 0,3–10% zugesetzt wird.