Wärmespeicher der Zukunft

27.02.2020 von Katrin Löwe in Wissenschaft, Forschung
Energiesparen ist ein wichtiger Beitrag zum Klimaschutz. Helfen können dabei auch neue Wärmespeicher für Gebäude, die aktuell am Institut für Chemie erforscht werden. Die Ergebnisse haben bereits im Wettbewerb um den Hugo-Junkers-Preis überzeugt.
Thomas Hahn (links) und Felix Marske im Labor. Sie arbeiten an einem neuen Latentwärmespeicher, der bisher in Zylinderform vorliegt.
Thomas Hahn (links) und Felix Marske im Labor. Sie arbeiten an einem neuen Latentwärmespeicher, der bisher in Zylinderform vorliegt. (Foto: Markus Scholz mit Ingo Bartussek/stock.adobe.com)

Als das Team von Prof. Dr.-Ing.Thomas Hahn im Mai 2019 auf dem Innovationstag transHAL an der Universität auftrat, war der zweite globale Klimastreik erst wenige Tage her. Rund 1.000 junge Menschen hatten in Halle für mehr Klimaschutz und einen raschen Kohleausstieg demonstriert, 350.000 waren es in ganz Deutschland. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Bereich Technische Chemie haben auf die von der Schwedin Greta Thunberg initiierten Klimaproteste damals bewusst Bezug genommen. Unter dem Titel „Fridays for Halle's Future - Warum wir jetzt in Wärmespeichermaterialien investieren sollten“ präsentierten sie beim Innovationstag ein Produkt, das über einen Wechsel seines Aggregatzustandes bis zu 14 Mal mehr Wärme speichern kann als herkömmliche Baustoffe wie Beton oder Gips. Damit könnte es künftig in Gebäuden zum Energiesparen beitragen. Die Entwicklung hat offensichtlich bereits überzeugt: Im Wettbewerb um den Hugo-Junkers-Preis, den höchstdotierten Preis des Landes Sachsen-Anhalt, wurden die Chemiker für ihre Entwicklung im Dezember mit Platz zwei in der Kategorie „Innovativste Vorhaben der Grundlagenforschung“ ausgezeichnet.

Die Relevanz des Themas liegt für die Forschenden auf der Hand. Rund 34 Prozent des weltweiten Energiebedarfs entfallen nach einer Statistik der International Energy Agency auf den Gebäudesektor, der größte Teil davon wird für die Erwärmung und Kühlung von Immobilien benötigt. „Das ist natürlich viel zu viel“, sagt Felix Marske, Doktorand im Arbeitskreis von Thomas Hahn. Im Rahmen seines Promotionsstudiums befasst sich der 27-Jährige seit gut zwei Jahren mit so genannten Latentwärmespeichern, auch Phasenwechselmaterial (PCM) genannt. Das Besondere an ihnen ist, dass sie durch einen Wechsel vom festen in einen flüssigen Zustand enorm viel Wärme aufnehmen und speichern können, die sie umgekehrt wieder abgeben, sobald sie erstarren. Bekanntestes Beispiel dafür sind Handwärmekissen, die in Wintermonaten für mollige Temperaturen in der Manteltasche sorgen. In ihrem Fall wird ein Salzhydrat als Speichermaterial verwendet, in anderen Anwendungsgebieten kommen heute auch organische Verbindungen wie Wachs oder Fettsäuren zum Einsatz.

Thema war diese Form der Wärmespeicherung bereits in den 1970er Jahren während der Ölkrise, sagt Marske. „Heute werden die Phasenwechselmaterialien in der Industrie schon viel genutzt, aber noch nicht so häufig im Gebäudesektor.“ Dabei sind sie im Handel bereits seit einigen Jahren als Pulver erhältlich, das beim Bauen dem Beton beigemischt wird. Ein Problem aus Marskes Sicht: Der Anteil des Phasenwechselmaterials in einer so gebauten Wand muss relativ gering bleiben, weil sonst insbesondere die mechanische Stabilität leidet.

Der Ansatz des halleschen Forschungsprojekts ist es nun, Platten herzustellen, die wie klassische Dämmmaterialien vor Wände gesetzt werden. Sie bestehen zu einem weit höheren Anteil – rund 85 Prozent – aus dem Phasenwechselmaterial, haben also eine deutlich größere Wärmespeicherkapazität, sind aber dennoch stabil. „Man kann sie wie eine normale Gipskartonplatte in Plattenform gießen und an der Innenwand anbringen. Das würde sich beispielsweise bei Sanierungen anbieten“, sagt Thomas Hahn. Mit einer knapp vier Quadratmeter großen und zwei Zentimeter dicken Platte könnte dann in einer 40-Quadratmeter-Wohnung so viel Energie gespart werden, dass sich die Investition im günstigsten Fall bereits nach 14 Monaten auszahlt, hat Marske berechnet.

Praktisch besteht der am Institut für Chemie entwickelte Latentwärmespeicher aus ungefährlichen Fettsäuren, wie sie auch in Seifen oder Handcremes vorkommen. Um winzig kleine Tröpfchen dieser Fette – weniger als einen tausendstel Millimeter groß - wird im Labor ein Silikatgerüst aufgebaut, welches das Material auch im flüssigen Zustand „einsperrt“. Enorme Kapillarkräfte hindern es dann am Austreten. „Man kann dann auch einen Nagel in die Wand schlagen, ohne dass Material ausläuft“, so Professor Hahn. Konkret schmilzt das PCM bei 21 Grad und speichert dabei automatisch überschüssige Wärme aus der Umgebung – im Sommer trägt es so auch dazu bei, dass sich Räume nicht weiter erhitzen. Fällt die Temperatur im Raum auf 18 Grad oder darunter, erstarrt das Material und gibt Wärme wieder ab. Im Gegensatz zu klassischen Wärmedämmplatten gibt es dabei keine Probleme mit Schimmelbildung.

Mittlerweile sind die Forschungsergebnisse aus Halle in der Fachzeitschrift „RSC Advances“ der Royal Society of Chemistry veröffentlicht. Beendet ist die Entwicklung freilich noch nicht. „Wir sind gerade dabei, das Material zu verbessern und die Synthese zu verändern“, sagt Marske. Zudem soll reproduzierbar die Produktion großer Platten simuliert werden – bisher liegt das Produkt erst als Probe in Form von weißen Zylindern mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern vor. Denkbar ist, dass sowohl das Herstellungsverfahren als auch das optimierte Material später zum Patent angemeldet wird. Interesse aus der Industrie gibt es im Übrigen bereits, wenn auch nicht aus der Baubranche: Das Forschungsteam hatte eine Anfrage von einem Autohersteller, der das Produkt für die das Wärmemanagement bei Akkus in E-Mobilen nutzen will. 

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