Transcript Phase Change Materials - Jan Diriken - Provincie West

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
smelt- en 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
IEA Annex 18: Transportation of Energy by Utilization of Thermal Energy Storage Technology
16/05/2014
© 2014, VITO NV
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
IEA Annex 18: Transportation of Energy by Utilization of Thermal Energy Storage Technology
16/05/2014
© 2014, VITO NV
23
Warmteopslag & Transport: TTB
IEA Annex 18: Transportation of Energy by Utilization of Thermal Energy Storage Technology
16/05/2014
© 2014, VITO NV
24