Phase Change Materials

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Phase Change Materials"

Cecilia Dijkstra
8 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 16/05/2014 Phase Change Materials Latente warmte voor compacte energie-opslag

2 Waarom thermische opslag?» Hydraulische ontkoppeling in combinatie met WKK, warmtepomp, WKK T T buffer verwarmings circuit T WKK Buffer Geen buffer» Flexibiliteit» Sturing niet noodzakelijk op basis van warmtevraag» Pendelgedrag» Lagere efficiëntie» Grotere thermische belasting» Kortere levensduur 16/05/2014 2

verwarmings circuit T WKK Buffer Geen buffer» Flexibiliteit» Sturing niet

3 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 3

onmiddellijk ter beschikking hebben van warm water» kleinere dimensionering van WP

4 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 4

elektriciteitsprijs» dag/nachttarief (België: typisch 30% verschil)» smart-grids met

5 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 5

hoge prijs» Economische winsten» Stabiliserende werking» Opslag van

6 Thermische energie-opslag» Voelbare warmte» Klassieke waterbuffer» Ondergrondse opslag» Latente warmte» Gebruik maken van smelten stolwarmte van een materiaal» Q = mc T» Stratificatie 16/05/2014 6

7 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 7

8 Latente warmte-opslag Grote hoeveelheid warmte beschikbaar in klein temperatuursgebied (vb. warmte nodig om 1 kg ijs te smelten = warmte om temperatuur 1 kg water met 80 C te verhogen) Diversiteit aan materialen beschikbaar Warmte wordt opgenomen/afgegeven bij een constante temperatuur Kleine energieverliezen Geschikt voor transport van energie Corrosiviteit, brandbaarheid, giftigheid, stabiliteit, onderkoeling, afhankelijk van het gebruikte materiaal Kostprijs materialen (bulk: 2-5 /kg, slurry 50 /kg) Beperkte warmtegeleiding (vb. paraffine s 0,2 W/(m.K)) Bepalend voor vermogen en beschikbare capaciteit Temperatuur faseovergang bepaalt toepassing Bijdrage voelbare warmte is beperkt 16/05/2014 8

constante temperatuur Kleine energieverliezen Geschikt voor transport van energie Corrosiviteit, brandbaarheid, giftigheid, stabiliteit, onderkoeling, afhankelijk van het

9 PCM materiaalklassen Toepassingsgebied: gebouwverwarming ( C): - Paraffines (organisch) - Zouthydraten (anorganisch) - (Vetzuren) 16/05/2014 9

10 Warmteopslag d.m.v. latente warmte Faseovergangen Zouthydraten vs. Paraffines Paraffines Brandbaar Duurder Zouthydraten Fasesegregatie Corrosief Rubitherm RT25 Rubitherm SP24E Voor beiden: temperatuur faseovergang (0-100 C) met toepassingen op residentieel niveau 16/05/

Corrosief Rubitherm RT25 Rubitherm SP24E Voor beiden: temperatuur

11 Warmteopslag d.m.v. latente warmte Faseovergangen Concepten voor actieve opslag Buffervat met PCM-tubes Warmtewisselaar in PCM buffer Omkapselen van PCM Ook op µm-schaal 16/05/

Labo-activiteiten bij VITO» Thermo-Technical Laboratory @ VITO» Thermische output tot 400 kw»

12 Labo-activiteiten bij VITO» Thermo-Technical VITO» Thermische output tot 400 kw» Temperatuurschaal: 6 85 C» Mogelijkheden tot het simuleren van verschillende laad- en ontlaadscenario s 16/05/

13 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/

14 Diffuser systeem 16/05/

15 PCM Materialen Microtek encapsulated PCM» T melt = 52 C» Latent HOF = kj/kg» 124 kg (100 kg) TubeICE (graphite-enriched)» T melt = 58 C» Latent HOF = 167 kj/kg» 220 kg (195 kg) 16/05/

16 Resultaten» 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) In combinatie met constante T test: Systeem karakterisatie Published by T. Nuytten et al. Applied Thermal Engineering 59, 542 (2013) 16/05/

probleem (in mindere mate ook het geval voor TubeICE) In combinatie met constante T test:

17 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/

5 x 1 m)» PCM: RubiTherm RT58» Hot water inlet at top» Two Parallel circuits,

18 Capaciteit: TubeICE vs Convector 120% 100% 80% 60% 40% 20% TubeICE Convector Capaciteit convector bijna onafhankelijk van vermogen 0% 5 kw 10 kw 15 kw 16/05/

19 Temperature [C] Temperatuursensoren in PCM materiaal - convector Supply water T Return Water T Avg top Avg middle Avg bottom Time [min] Betere monitoring van laad en ontlaadproces: Work in progress 16/05/

65 60 55 50 Supply water T Return Water T Avg top Avg middle Avg bottom 45 40

20 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: 16/05/

» Ideaal in combinatie met zonnecollectoren of WKK» Overbruggen van

21 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/

22 Warmteopslag & Transport: pijpleidingen» Vb. Narita Airport, Tokyo: opslag van 970 m 3» 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/

Warmteopslag & Transport: TTB» Kleinschalige projecten & haalbaarheidsstudies» Universiteit Bayreuth (DE): mobiele PCM opslag» Universiteit Stuttgart (DE): haalbaarheid thermische olie, zeolieten,

23 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/

24 Warmteopslag & Transport: TTB IEA Annex 18: Transportation of Energy by Utilization of Thermal Energy Storage Technology 16/05/

Vergelijkbare documenten

Ontwikkelingen op het gebied van Warmteopslag

Ontwikkelingen op het gebied van Warmteopslag R. de Boer Oktober 2013 ECN-L--13-068 Ontwikkelingen op het gebied van Warmteopslag Workshop flexibele BioWKK op de energiemarkt 2 oktober 2013 Robert de Boer