Aufgabe Vorschlag C - Aufgabe 1 - Latentwärmespeicher und… · Abitur Hessen Umwelttechnik LK 2021

Eine der größten Herausforderungen bei der Bereitstellung von Nutzenergie ist deren Speicherung. In Zukunft wird die Speicherung von Wärmeenergie in Gebäuden eine zunehmende Bedeutung haben. Eine der technischen Möglichkeiten, Wärmeenergie für Gebäudeheizungen zu speichern, ist der sogenannte Latentwärmespeicher. Diese bieten sich vor allem in Kombination mit einer solarthermischen Anlage und einer Wärmepumpe als Wärmeversorgungssysteme für Wohngebäude an.

Material 1: Wie heizt ein Latentwärmespeicher?

Latentwärmespeicher sind als Heiz- und Kühlanlage in Gebäuden verwendbar. Als PCM (Phase Changing Material) fungiert hierfür meistens Paraffin, dessen Schmelztemperatur zwischen 48 und 68 Grad Celsius liegt. Beim Schmelzvorgang werden pro Kilogramm 200–240 Kilojoule Energie frei.

Latentwärmespeicher mit Paraffin als PCM werden häufig in Kombination mit Solarthermieanlagen verwendet. Die Solarkollektoren nehmen die durch Sonnenlicht entstehende Umgebungswärme auf und schmelzen damit das Paraffin. Das Paraffin befindet sich in einem Wärmespeicher – in der Regel handelt es sich um einen Kasten, der mehrere mit Paraffin gefüllte Rohre enthält.

Dies sind die Vorteile von Latentwärmespeichern:

Anwender sparen mit einem Latentwärmespeicher Energie und somit Kosten ein.

Die Wärme zum Schmelzen des PCM wird mittels einer Solarthermieanlage gewonnen.

Latentwärmespeicher können Wärme über einen langen Zeitraum speichern und abgeben (bis zu mehreren Monaten).

Temperaturspitzen lassen sich ausgleichen.

Der Platzbedarf ist gering, die Installation einfach.

Latentwärmespeicher weisen auch Nachteile auf:

Die Anschaffungskosten eines Latentwärmespeichers sind relativ hoch.

Die Funktion ist von Außentemperaturen und Sonneneinstrahlung abhängig.

Material 2: Technische Daten Latentwärmespeicher und Wasserkombispeicher

Latentwärmespeicher

Wasserkombispeicher

Fassungsvolumen

750 L

spezifische Wärmekapazität Speichermedium

$2{,}1\ \mathrm{kJ\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}}$

$4{,}18\ \mathrm{kJ\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}}$

Schmelztemperatur

$55\ ^\circ\mathrm{C}$

$0\ ^\circ\mathrm{C}$

spezifische Schmelzenthalpie Speichermedium

$220\ \mathrm{kJ\cdot kg^{-1}}$

$333{,}5\ \mathrm{kJ\cdot kg^{-1}}$

1.2

Latente Wärme ist ein synonymer Begriff für die physikalische Größe Enthalpie.

Erklären Sie den Unterschied zwischen Schmelzenthalpie und der spezifischen Wärmekapazität eines Stoffes.

Erklären Sie die Fähigkeit eines Latentwärmespeichers, innerhalb eines bestimmten Temperaturarbeitsbereichs mehr thermische Energie speichern zu können als ein herkömmlicher Wasser-Kombispeicher (siehe Material 1).

[9 BE]

1.3

Berechnen Sie die Masse an Paraffin, die benötigt würde, um die gleiche Wärmemenge speichern zu können wie ein herkömmlicher Warmwasserkombispeicher, wenn beide durch eine thermische Solaranlage von $40\ ^\circ\mathrm{C}$ auf $60\ ^\circ\mathrm{C}$ aufgeheizt werden (Material 2).

[5 BE]

1.4

Untersuchen Sie, inwieweit Latentwärmespeicher, insbesondere in Verbindung mit dem Einsatz von thermischen Solaranlagen, zukünftig eine Rolle bei der Beheizung von privaten Wohnhäusern spielen könnten (Material 1).

[6 BE]

1.5

Skizzieren Sie das Energieflussdiagramm einer Wärmepumpe und erklären Sie die Bedeutung der Jahresarbeitszahl (JAZ) für den Wärmepumpenbetrieb.

[9 BE]