INNOVATIEVE WARMTEPOMPEN VOOR WARMTE- EN KOUDEPRODUCTIE

Transcriptie

1 Oktober 2004 ECN-RX INNOVATIEVE WARMTEPOMPEN VOOR WARMTE- EN KOUDEPRODUCTIE Artikel verschenen in Koude & Luchtbehandeling 97e jaargang nr. 8 - september 2004, pp S. Spoelstra A.M.G. Pennartz (KWA Bedrijfsadviseurs)

2 Abstract In addition to the nowadays widely applied compression heat pumps, there are more principles with interesting performance on which a heat pump can be designed. Two of these principles are developed at ECN, based on a solid sorption system and a thermoacoustic system. This article describes the operation principle and application of these concepts as heat pump and cooling machine. Both systems have unique properties that lead to low maintenance costs and a wide range of applications in both heat and cold production. 2 ECN-RX

3 INHOUD SAMENVATTING 5 1. INLEIDING Thermochemische warmtepomp Thermo-akoestische warmtepomp OVERZICHT VAN RESULTATEN IN PERSPECTIEF 13 ECN-RX

4 4 ECN-RX

5 SAMENVATTING Naast de alom toegepaste compressiewarmtepompen is er nog een scala aan principes op basis waarvan een warmtepomp kan worden ontworpen. Bij ECN wordt gewerkt aan een tweetal innovatieve warmtepompconcepten die interessante mogelijkheden bieden. Het ene concept is gebaseerd op een vaste stof/damp absorptie systeem, het andere werkt op basis van een thermoakoestisch concept. Dit artikel beschrijft de werking en toepassing van dergelijke systemen als warmtepomp of koelmachine. Beide systemen hebben unieke eigenschappen, die ze onderhoudsvriendelijk en breed toepasbaar maken voor zowel warmte- als koudeproductie. ECN-RX

6 6 ECN-RX

7 1. INLEIDING Verreweg de meeste warmtepompen die tegenwoordig in bedrijf zijn, zijn compressiewarmtepompen. Hierbij wordt een, vaak elektrisch aangedreven, compressor gebruikt om een druk- en daarmee temperatuurverhoging tot stand te brengen.. In de literatuur zijn er vele, soms exotische, principes te vinden op basis waarvan een warmtepomp kan worden geconstrueerd. Bij ECN zijn een tweetal innovatieve warmtepompconcepten in ontwikkeling, die in eerste instantie bedoeld zijn voor het opwaarderen van industriële restwarmte, maar ook toegepast kunnen worden als koelmachine en aldaar mogelijk tot energiebesparingen kunnen leiden. Het gaat hierbij om een thermochemische en een thermo-akoestische warmtepomp. Doel van dit artikel is om deze twee concepten nader toe te lichten qua werkingprincipe en toepassingen. 1.1 Thermochemische warmtepomp De werking van een thermochemische warmtepomp of koelmachine is gebaseerd op de reversibele absorptie en desorptie van een damp (water, alcohol, ammoniak, waterstof) in een vaste stof (zout, keramiek, metaal etc.). De absorptie van damp is een exotherm proces en levert dus warmte, terwijl de desorptie van damp warmte vraagt (endotherm). Het specifieke vaste stof/damp koppel is afhankelijk van het temperatuurgebied waarin de warmtepomp opereert. Door een combinatie van twee verschillende vaste stoffen te gebruiken is het mogelijk warmtestromen te manipuleren, waardoor een warmtepomp ontstaat. In plaats van een tweede vaste stof kan ook verdampen en condenseren van de damp worden toegepast. Hoe de warmte-effecten die optreden bij de absorptie en desorptie van damp in een zout nuttig zijn te gebruiken voor een koelmachine staat schematisch aangegeven in Figuur 1.1. Hierin vinden we de dampevenwichtslijnen behorende bij twee verschillende zouten. Het lagetemperatuurzout (LTZ) heeft bij dezelfde temperatuur een hogere dampdruk dan het hogetemperatuurzout (HTZ). Dit betekent dat een warmtebron (restwarmte bijvoorbeeld) wordt gebruikt om damp vrij te maken uit het HTZ bij een temperatuur T h van bijvoorbeeld 140ºC. Absorptie van deze damp door het LTZ levert warmte op een lager temperatuurniveau T m van 30ºC. Dit proces gaat door totdat alle damp uit het HTZ is vrijgemaakt en door het drukverschil tussen de zouten naar het LTZ is gestroomd. Dit wordt het laden genoemd. Daarna wordt het systeem weer ontladen. Dit gebeurt door warmte toe te voeren aan het LTZ bij het laagste temperatuurniveau T l van -40ºC, middels een stroom die daardoor wordt afgekoeld. De vrijkomende damp wordt getransporteerd door het drukverschil en geabsorbeerd door het HTZ bij een temperatuurniveau T m. Hiermee is het ontlaadproces afgerond. Het overall-effect is dat het temperatuursverschil T h T m bij het HTZ gebruikt wordt om warmte op te pompen van T l naar T m bij het LTZ. ECN-RX

8 Q M laden Q H Lage Temperatuur Zout Ln P Q L Hoge Temperatuur Zout ontladen Q M T L T M TH Temperatuur Figuur 1.1 Werkingsprincipe van een thermochemische warmtepomp. Op basis van dit principe kan een systeem worden ontwikkeld waarin een hoge vermogensdichtheid gecombineerd wordt met de efficiënte omzetting van toegevoerde warmte in koeling. Deze hoge energiedichtheid is mogelijk vanwege het toepassen van een chemische reactie (chemisorptie) van een damp met de vaste-stof wat gepaard gaat met een aanzienlijk hogere energie dan absorptie van een damp in een vloeistof (oploswarmte). Als aandrijving voor deze systemen kan (rest)warmte worden benut. Een dergelijk systeem is alleen batchmatig te bedrijven aangezien op een gegeven moment de damp uit het LTZ is verdwenen. Er is dan eerst een regeneratiestap nodig waarbij de warmtestromen worden omgedraaid en de damp weer terugstroom naar het LTZ. Door de reactievaten met zouten dubbel uit te voeren is dit batch proces continu te maken. In Figuur 1.2 is weergegeven hoe een thermochemische warmtepomp als koelmachine kan worden ingezet. In dit geval gaat het om een semi-continu systeem, dat derhalve met een viertal reactorvaten is uitgerust. Het onderste stel reactorvaten zit in de laadcyclus waarbij een warmtebron wordt gebruikt om de damp uit het HTZ vrij te maken. Deze damp wordt geabsorbeerd door het LTZ waarbij warmte vrijkomt die wordt afgevoerd. Het bovenste stel reactorvaten voert in deze figuur de ontlaadcyclus uit. Hierbij wordt damp ontrokken aan het LTZ, waarbij de benodigde warmte wordt geleverd door een te koelen stroom. De damp stroomt naar het HTZ en wordt daar geabsorbeerd. De daarbij vrijkomende warmte wordt wederom afgevoerd. 8 ECN-RX

9 LTZ Damp HTZ Warmteafvoer Luchtkoeler Opp. water PROCES Ontladen LTZ Damp HTZ Laden Warmteafvoer Luchtkoeler Opp. water Figuur 1.2 Thermochemische warmtepomp als koelmachine Warmtetoevoer Restwarmte Brander De huidige geschetste situatie eindigt op het moment dat alle damp van reactorvat is gewisseld. Door de warmtestromen via kleppen om te schakelen worden de functies van de bovenste en onderste stel reactorvaten gewisseld. Omdat de verschillende warmtevoerende stromen niet mogen mengen bij switchen tussen laden en ontladen, is een tussencircuit nodig, zoals ook in Figuur 1.2 is aangegeven. De typische thermische efficiency van dit proces voor koeling is circa 35%: (Q warmtetoevoer op 140 C /Q koeling op 40 C ). Ter vergelijking: compressiekoeling, elektrisch aangedreven, beschouwd op primaire energie (fossiele brandstof) van de elektriciteitscentrale, heeft een efficiency van 45%. Door het gebruik van restwarmte zijn de nieuwe warmtepompconcepten energetisch en uit kostenoogpunt interessant. Door een andere keuze van stofparen zijn andere temperatuurniveaus van koudeopwekking, warmteafvoer op tussentemperatuur en warmtetoevoer mogelijk. De activiteiten bij ECN zijn momenteel gericht op het opwaarderen van industriële restwarmte. Doelstelling van de ECN ontwikkeling is om dit concept op te schalen zodanig dat er een kosteneffectief systeem ontstaat dat van de inkomende restwarmte 30% weer als nuttige warmte op een hoger temperatuurniveau beschikbaar komt. Figuur 1.3 toont een testopstelling om de werking op 1 kw schaal aan te tonen. Bij het oppompen van restwarmte van 140ºC naar bruikbare warmte van > 180ºC wordt gebruik gemaakt van twee metaalzouten in combinatie met ammoniakdamp. ECN-RX

10 Figuur 1.3 Testopstelling van een thermochemische warmtepomp 1.2 Thermo-akoestische warmtepomp Thermo-akoestiek heeft betrekking op het fysische verschijnsel dat een temperatuurverschil een akoestische golf kan versterken. Omgekeerd kan een akoestische golf een temperatuurverschil creëren. Daartoe wordt de akoestische golf in interactie gebracht met een vast materiaal met een veel hogere warmtecapaciteit dan het medium waar zich de geluidsgolf doorheen beweegt. Dit materiaal fungeert als een soort warmtebuffer (regenerator). Indien over deze regenerator een temperatuurverschil wordt aangebracht en een geluidsgolf deze regenerator passeert van de koude naar de warme kant, dan zal een pakketje gas in deze regenerator eerst worden gecomprimeerd, dan verplaatst naar de warmte kant van de regenerator, vervolgens worden geëxpandeerd en tenslotte weer naar de koude kant worden verplaatst. Figuur 1.4 visualiseert dit proces. Na verplaatsing naar rechts zal het pakketje gas een warmer gedeelte van de regenerator zien en daarom warmte opnemen (stap 2). Het omgekeerde gebeurt in stap Compressie 2 - Verwarming Q Q 4 - Koeling 3 - Expansie Figuur 1.4 Thermo-akoestische cyclus 10 ECN-RX

11 Gedurende deze cyclus wordt het gas dus bij een lage temperatuur gecomprimeerd en bij een hoge temperatuur geëxpandeerd. Dit betekent dat arbeid wordt verricht op het gas. Meer specifiek gezegd wordt de drukamplitude en daarmee de (mechanische) energie van de geluidsgolf groter. De cyclus die het gaspakketje doorloopt vertoont sterke overeenkomsten met een Stirling cyclus. Op deze manier is het mogelijk om met een temperatuurverschil een geluidsgolf te versterken. Binnen de thermo-akoestiek wordt gesproken over een thermoakoestische motor (TA-M) indien een akoestische golf wordt opgewekt door een temperatuurverschil. Indien de thermodynamische cyclus in omgekeerde volgorde wordt doorlopen, wordt de akoestische energie omgezet in een temperatuurverschil en is er sprake van een thermo-akoestische warmtepomp (TA-WP) die warmte oppompt van een laag naar een hoog temperatuurniveau. Beide componenten kunnen akoestisch worden gekoppeld binnen één behuizing, de resonator. Het geheel wordt, wellicht enigszins verwarrend, ook een thermoakoestische warmtepomp genoemd. Figuur 1.4 geeft aan hoe een thermo-akoestische warmtepomp kan worden aangesloten om te functioneren als een koelmachine. Aan de rechterkant zit een TA-motor die werkt op het temperatuurverschil van een warmtebron en omgevingstemperatuur. De warmtebron kan een brander zijn of een ter plekke beschikbare warmtestroom (bijvoorbeeld restwarmte). Het in de TA-motor gegenereerde akoestische vermogen zal in de TA-warmtepomp warmte oppompen van de lage temperatuurkant naar de hoge temperatuurkant. De hoge temperatuurkant wordt verzorgd door omgevingstemperatuur. De te koelen stroom wordt door de lage temperatuurkant van de TA-warmtepomp geleid en is dus gekoppeld aan het proces waar koeling nodig is. Warmteafvoer Luchtkoeler Opp. water Warmtetoevoer Restwarmte Brander Warmteafvoer Luchtkoeler Opp. water TA-WP TA-M PROCES Figuur 1.5 Thermo-akoestische warmtepomp als koelmachine. Ook op het gebied van thermo-akoestiek staan de huidige activiteiten bij ECN in het teken van opwaardering van restwarmte. Doelstelling is hier een systeem te ontwikkelen met een thermisch rendement van 20% voor de opwaardering van restwarmte van 140ºC naar > 180ºC. Figuur 1.6 toont een testopstelling op 5 kw schaal van een thermo-akoestische warmte-pomp. ECN-RX

12 Figuur 1.6 Testopstelling van een thermo-akoestische warmtepomp 12 ECN-RX

13 2. OVERZICHT VAN RESULTATEN IN PERSPECTIEF Dit artikel beschrijft de werking en toepassing van een tweetal innovatieve warmtepompen voor warmte- en koudeproductie. Hoewel de werking van beide technologieën vrij complex is, is de praktische uitvoering relatief eenvoudig. Dit biedt grote voordelen ten aanzien van de economische haalbaarheid van deze technologieën. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de eigenschappen van de gepresenteerde warmtepompconcepten. Voor beide systemen is de werking bewezen en wordt er gewerkt aan het verbeteren van de conversierendementen. Verwacht wordt dat een praktijkproef rond 2006/7 de technische en economische haalbaarheid van deze innovatieve warmtepompen kan aantonen. Thermochemisch Thermo-akoestisch Aandrijving (Rest)warmte (Rest)warmte Brander Lineaire motor Toepassingsgebied -60ºC +600ºC -150ºC +600ºC Temperatuurlift 40ºC 100ºC 10ºC 100ºC Thermisch rendement Restwarmte Brander (COP) Lineaire motor 25-35% 15-50% (afhankelijk van lift) 1,1 1,5 (idem) 2,5 4 (idem) Voordelen Nadelen Risico aspecten Gebruik restwarmte Geen bewegende delen Geluidsarm Lage onderhoudskosten Hoge temperatuurlift mogelijk Breed toepassingsgebied Milieuvriendelijk werkmedium Opslag van warmte mogelijk Commercieel beschikbare materialen Volumineus Betrouwbaarheid nog niet bewezen In een volgend artikel zal worden ingegaan op het toepassingsperspectief voor deze twee warmtepompconcepten binnen de koudemarkt in Nederland. ECN-RX