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Gel zur Wärmespeicherung kann den Heiz- und Kühlenergiebedarf von Gebäuden verringern
Wärme auf Vorrat: Spezielle Salzgele könnten Wärme aufnehmen und bei sinkenden Temperaturen wieder freisetzen. Ein Netzwerk aus Kunststoffketten hält dabei salzhaltige Speichermedien zusammen und kann deren unkontrolliertes Erstarren begrenzen, wie eine Auswertung bisheriger Versuche zeigt. Ob sich damit tatsächlich Heiz- und Kühlenergie in Gebäuden einsparen lässt, ist allerdings noch nicht belegt.
College Station (U.S.A.). Beim Heizen und Kühlen von Gebäuden kommt es nicht nur darauf an, wie viel Wärme zur Verfügung steht, sondern auch, wann sie gebraucht wird. Materialien, die Wärme zeitweise aufnehmen und später wieder abgeben, könnten Temperaturschwankungen abfedern und technische Anlagen entlasten.
Als solche Wärmespeicher kommen sogenannte Phasenwechselmaterialien infrage. Sie nehmen beim Schmelzen Energie auf und geben diese beim Erstarren wieder ab. Besonders interessant sind kristallwasserhaltige Salze: Sie sind nicht brennbar und besitzen eine hohe volumetrische Speicherdichte. Einzelne Salzhydrate erreichen laut einer Fachübersicht bis zu 450 Megajoule pro Kubikmeter, gegenüber rund 200 bei Paraffin.
Doch die Salzhydrate bringen Probleme mit: In geschmolzener Form können sie auslaufen oder ihre Bestandteile entmischen. Bei wiederholten Wechseln zwischen fest und flüssig leidet so die Zuverlässigkeit eines Speichers. Forscher der Texas A&M University um Dr. Kartik Kumar Rajagopalan haben deshalb analysiert, wie sich solche Salze mit flexiblen Polymernetzen verbinden lassen. Ihr Fachbeitrag bündelt frühere Laborarbeiten und Forschungsperspektiven, er stellt keine neue Gebäudestudie dar.
In den sogenannten Salogelen liegt der Wärmespeicher nicht frei vor, sondern sitzt in einem Gerüst aus langen Molekülketten. Diese Polymerstruktur kann verhindern, dass das geschmolzene Salz seine Form verliert und austritt. Anders als in einem gewöhnlichen Hydrogel enthält die Flüssigkeit dabei besonders viele gelöste Salzionen und vergleichsweise wenig Wasser.
Der Trick steckt in den Wechselwirkungen zwischen Salz und Polymer. Je nach Art der Ionen kann das Netzwerk fester oder weicher werden. Frühere Experimente zeigen zudem, dass sich manche Salogele nach mechanischen Schäden selbst reparieren oder erneut formen lassen. Allerdings: Zu viel Kunststoff verdrängt das wärmespeichernde Salz und verringert dadurch die Speicherdichte des Materials.
„Salogele stehen für den Übergang von bloßer Wärmespeicherung zu multifunktionalen Materialien, die Wärmespeicherung und Energieumwandlung verbinden“, erklärt Dr. Kartik Kumar Rajagopalan.
Eine weitere Hürde ist die sogenannte Unterkühlung. Dabei bleibt ein geschmolzenes Salzhydrat flüssig, obwohl seine übliche Erstarrungstemperatur bereits unterschritten ist. Die gespeicherte Wärme wird dann nicht zu dem Zeitpunkt freigesetzt, an dem sie gebraucht wird. Laut Fachübersicht kann die Temperaturdifferenz bei reinen Salzhydraten zwischen zehn und mehr als 50 Grad Celsius betragen.
In mehreren bereits veröffentlichten Versuchsreihen förderten Polymernetze die Kristallbildung und minderten damit die Unterkühlung. Bei bestimmten Materialien auf Basis von Natriumacetat-Trihydrat ließ sie sich nahezu beseitigen. Warum die Netzwerke die Bildung der ersten Salzkristalle beeinflussen, ist jedoch noch nicht ausreichend verstanden. Außerdem reagiert nicht jede Salz-Polymer-Kombination gleich.
Für Gebäude wären Salogele etwa als Speicherschicht in Wänden oder als Teil einer Klimaanlage denkbar. Auch das Temperaturmanagement von Batterien und Elektronik, wärmeregulierende Textilien oder eisabweisende Beschichtungen gelten als mögliche Anwendungen. Die Autoren diskutieren außerdem, ob sich die beweglichen Salzionen in neuartigen Energiesystemen, etwa Superkondensatoren, nutzen lassen.