Phase Change Materials

16/05/2014

Phase Change Materials Latente warmte voor compacte energie-opslag

Waarom thermische opslag? » Hydraulische ontkoppeling in combinatie met WKK, warmtepomp, …

WKK

T T

buffer

verwarmings circuit

T

Buffer

WKK

Geen buffer

» Flexibiliteit » Sturing niet noodzakelijk op basis van warmtevraag

» » » » 16/05/2014 © 2014, VITO NV

Pendelgedrag Lagere efficiëntie Grotere thermische belasting Kortere levensduur 2

Waarom thermische opslag? » Ogenblikkelijk ter beschikking stellen van grote hoeveelheden warmte » comfort: onmiddellijk ter beschikking hebben van warm water » kleinere dimensionering van WP / WKK: verhogen rendement

Met opslag

Zonder opslag Bron: Final Report IEA SHC Annex 17

Lange tijd: deel last  Lagere efficiëntie

16/05/2014 © 2014, VITO NV

3

Waarom thermische opslag? » Tijdelijke warmteopslag » betere benutting van periodes met lage (WP) of hoge (WKK) elektriciteitsprijs » dag/nachttarief (België: typisch 30% verschil) » smart-grids met variabele elektriciteitsprijzen op tijdsschalen: netondersteunend werken

Vb. Voor wintermaanden

Bron: Final Report IEA SHC Annex 17

16/05/2014 © 2014, VITO NV

4

Waarom thermische opslag? » Scenario WKK met opslag » Operationeel overdag » Verkoop elektriciteit aan hoge prijs » Economische winsten » Stabiliserende werking

» Opslag van geproduceerde warmte » Te gebruiken in functie van warmtevraag

Bron: Blarke, 2012

Bron: Final Report IEA SHC Annex 17 16/05/2014 © 2014, VITO NV

5

Thermische energie-opslag » Voelbare warmte

» Latente warmte

» Klassieke waterbuffer » Ondergrondse opslag

» Gebruik maken van smelten stolwarmte van een materiaal

» Q = mc∆T » Stratificatie

16/05/2014 © 2014, VITO NV

6

Warmteopslag d.m.v. latente warmte Faseovergangen » Warmte wordt opgeslagen door de toestandsfase van een materiaal te veranderen: vb. smelten van ijs 𝑄 = 𝑚𝐿 » Warmte nodig om 1 kg ijs te smelten = Warmte nodig om de temperatuur van 1 L water met 80 °C te verhogen! » Grote hoeveelheid energie kan opgeslagen worden op een constante temperatuur

Minder geschikt door volume/druk veranderingen

16/05/2014 © 2014, VITO NV

7

Latente warmte-opslag

Grote hoeveelheid warmte beschikbaar in klein Corrosiviteit, brandbaarheid, giftigheid, stabiliteit, temperatuursgebied (vb. warmte nodig om 1 kg ijs te onderkoeling, … afhankelijk van het gebruikte smelten = warmte om temperatuur 1 kg water met materiaal 80 °C te verhogen) Kostprijs materialen (bulk: 2-5 €/kg, slurry 50 €/kg)

Diversiteit aan materialen beschikbaar

Beperkte warmtegeleiding (vb. paraffine’s 0,2 W/(m.K))

Warmte wordt opgenomen/afgegeven bij een constante temperatuur

Bepalend voor vermogen en beschikbare capaciteit

Kleine energieverliezen

Temperatuur faseovergang bepaalt toepassing

Geschikt voor transport van energie

Bijdrage voelbare warmte is beperkt

16/05/2014 © 2014, VITO NV

8

PCM materiaalklassen

Toepassingsgebied: gebouwverwarming (20-100°C): - Paraffines (organisch) - Zouthydraten (anorganisch) - (Vetzuren)

16/05/2014 © 2014, VITO NV

9

Warmteopslag d.m.v. latente warmte Faseovergangen – Zouthydraten vs. Paraffines Paraffines • Brandbaar • Duurder Rubitherm RT25

Zouthydraten • Fasesegregatie • Corrosief

Rubitherm SP24E

Voor beiden: temperatuur faseovergang (0-100 °C) met toepassingen op residentieel niveau 16/05/2014 © 2014, VITO NV

10

Warmteopslag d.m.v. latente warmte Faseovergangen – Concepten voor actieve opslag Warmtewisselaar in PCM buffer

Buffervat met PCM-tubes

Omkapselen van PCM

Ook op µm-schaal

16/05/2014 © 2014, VITO NV

11

Labo-activiteiten bij VITO » Thermo-Technical Laboratory @ VITO » Thermische output tot 400 kW » Temperatuurschaal: 6 – 85 °C » Mogelijkheden tot het simuleren van verschillende laad- en ontlaadscenario’s

16/05/2014 © 2014, VITO NV

12

Testvat » » » »

300 L vat (0.6 m diameter, 1.16 m hoogte). Uniforme waterstroom d.m.v. diffusers Gebruik: horizontaal en vertikaal Geteste configuraties: » TubeICE » MacroPCM » Water (reference case)

16/05/2014 © 2014, VITO NV

13

Diffuser systeem

16/05/2014 © 2014, VITO NV

14

PCM Materialen Microtek encapsulated PCM » Tmelt = 52 °C » Latent HOF = 110-125 kJ/kg » 124 kg (100 kg)

TubeICE (graphite-enriched) » Tmelt = 58 °C » Latent HOF = 167 kJ/kg » 220 kg (195 kg)

16/05/2014 © 2014, VITO NV

15

» PCM tubes geschikt voor lage vermogen, maar schieten tekort bij piekbelasting/levering » MacroPCM toont omgekeerd karakter » Onderkoeling van MacroPCM is een probleem (in mindere mate ook het geval voor TubeICE)

Resultaten

In combinatie met constante T test: Systeem karakterisatie Published by T. Nuytten et al. Applied Thermal Engineering 59, 542 (2013)

16/05/2014 © 2014, VITO NV

16

Convector heat exchanger » Convector type heat exchanger in cuboid vessel (~0.5 x 0.5 x 1 m) » PCM: RubiTherm RT58 » Hot water inlet at top » Two Parallel circuits, each four layers of convector fins, pitch between fins: 6 mm » Data under analysis, test ongoing » First results show high peak power possibilities!

16/05/2014 © 2014, VITO NV

17

Capaciteit: TubeICE vs Convector 120% 100% 80% 60%

TubeICE Convector

40%

Capaciteit convector bijna onafhankelijk van vermogen

20% 0% 5 kW

10 kW

15 kW

16/05/2014 © 2014, VITO NV

18

Temperatuursensoren in PCM materiaal - convector 80 75

65

Supply water T 60

Return Water T Avg top

55

Avg middle 50

Avg bottom

45 40 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 201 211 221 231 241

Temperature [C]

70

Time [min]

Betere monitoring van laad en ontlaadproces: Work in progress 16/05/2014 © 2014, VITO NV

19

Commercieel systeem: Watts-On Powertank » Modulair systeem op basis van parafine » Geschikt voor toepassingen rond 60 °C. » Ideaal in combinatie met zonnecollectoren of WKK » Overbruggen van zonloze-dagen op een compacte manier » Meer info: http://www.watts-on.be

16/05/2014 © 2014, VITO NV

20

Warmteopslag & Transport d.m.v. PCM » Energiebuffer in buurt van (hernieuwbare) bron of WKK » Transport naar gebruiker d.m.v. » Trucks, treinen of boten » Hoge energiedichtheden en vermogens (WKK) noodzakelijk! » PCM

» Controle over verliezen

» Pijpleidingen (bv. gebruikmakend van PCM slurries) » » » »

Hogere energiedichtheden en efficiëntie Momenteel: hoofdzakelijk koeling Onderzoeksfase Prijs PCM slurries is beperkende factor

IEA Annex 18: Transportation of Energy by Utilization of Thermal Energy Storage Technology 16/05/2014 © 2014, VITO NV

21

Warmteopslag & Transport: pijpleidingen » Vb. Narita Airport, Tokyo: opslag van 970 m3 » COP en werkingskosten gelijkaardig aan een waterbuffer; beter in vgl met ijsstorage » Volumewinst: factor 2.5 » Eigenschappen PCS » Smelttemperatuur: 4-11 °C » 76 kJ/kg smeltenthalpie


22

Warmteopslag & Transport: TTB » Kleinschalige projecten & haalbaarheidsstudies » Universiteit Bayreuth (DE): mobiele PCM opslag » Universiteit Stuttgart (DE): haalbaarheid thermische olie, zeolieten, PCM » ZAE Bayern (DE): open sorptie container (restwarmte). Laden + ontladen

» Demo’s » TU Munchen (DE): PCM container in combinatie met restwarmte

» Economische aspecten » Restwarmte staalindustrie (Zweden): Transport over 30 km


23

Warmteopslag & Transport: TTB


24

Phase Change Materials

Recommend Documents