Wärmespeicherung mit unterkühltem
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Wärmespeicherung mit unterkühltem Phasenwechselmaterial Dipl. Ing. Christoph Moser Institut für Wärmetechnik Technische Universität Graz [email protected] 23.10.2014 Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 1 Phasenwechselmaterialien Nutzung der Energie beim Phasenwechsel (fest-flüssig) • Eutektische Salzlösungen (Schmelzpunkte < 0°C) • Organische PCM’s (Paraffine) • Salzhydrate (Natriumacetat) Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 2 Latentwärmespeicher 700 Schmelztemperatur Enthalpie [kJ/dm³] 600 500 PCM Wasser 400 300 Latente Wärme 200 100 Sensible Wärme 0 20 Christoph Moser 30 40 50 60 70 Temperatur [°C] Kompakte thermische Energiespeicher 80 90 100 3 Unterkühlung 700 Enthalpie [kJ/dm³] 600 Unterkühlung 500 PCM Wasser 400 300 Umgebungstemperatur 200 100 Schmelztemperatur 0 20 Christoph Moser 30 40 50 60 70 Temperatur [°C] Kompakte thermische Energiespeicher 80 90 100 4 Unterkühlung 700 Enthalpie [kJ/dm³] 600 Umgebungstemperatur 500 Verlust 400 300 Auslösung der Kristallisation 200 100 PCM Wasser Latente Wärme Sensible Wärme 0 20 Christoph Moser 30 40 50 60 70 Temperatur [°C] Kompakte thermische Energiespeicher 80 90 100 5 Entwicklung eines kompakten thermischen Langzeitspeichers 3 Entwicklungslinien (A,B,C) LineC – Phasenwechselmaterial: • Nilan • Kingspan • DTU Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 6 Aufgabenstellungen • Ermittlung von Materialdaten • Erstellen und Testen von Systemkomponenten • Testen von Speicherprototypen • Erstellen von Simulationsmodellen und Validierung • System Optimierungen Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 7 Enthalpie 450 400 Enthalpie [kJ/kg] 350 300 250 42% 466mg22-DSC 200 42% 354mg98-DSC 150 42% 57mg25-DSC 100 42 wt% T-History 50 0 -50 0 Christoph Moser 20 40 60 Temperatur [°C] Kompakte thermische Energiespeicher 80 100 8 Dynamische Viskosität [Pa*s] Viskosität 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 Sharma 42 w% H2O Probe 42 w% H2O Probe 44 w% H2O Probe 46 w% H2O Probe 48 w% H2O 10 Christoph Moser 30 50 Temperatur [°C] 70 Kompakte thermische Energiespeicher 90 9 Auslösemechanismen • Absenken der Temperatur • Zugabe von Kristallisationskeimen • Erhöhung des Drucks Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 10 Auslösemechanismus (Temperatur) • CO2 • Peltier Quelle: DTU Erneuerbare Energie 2014-03 Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 11 Kristallisationstemperatur Kristallisationstemperatur [°C] 0 -5 -10 PP 42 w% Glas 42 w% PP 46w% Glas 46 w% -15 -20 -25 -30 Auslösung der Kristallisation -35 Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 12 Auslösemechanismus (Keime) Zugabe von Kristallisationskeimen (kristallines Material) Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 13 Prototyp Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 14 Messaufbau Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 15 Untersuchungen am Prototypen 7 • Stabilität der Unterkühlung Leistung [kW] • Auslösemethoden bei 250 kg/h 6 49 42 5 35 4 28 3 21 2 14 1 7 0 0 0 Rücklauftemperatur [°C] • Validierung des Speichermodells 0.5 1 1.5 Entladezeit [h] Erneuerbare Energie 2014-03 Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 16 Simulationsmodell • Bisher kein detailliertes Modell verfügbar • Materialdaten, Unterkühlung und Auslösung Erneuerbare Energie 2014-03 Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 17 Validierung Simulationsmodell 40 8 Durchflussrate 250 kg/h 38 7 6 T_VL [°C] T_RL_Mess [°C] T_RL_Sim [°C] Energie_Mess [kWh] Energie_Sim [kWh] 34 32 30 28 5 4 3 26 2 24 22 1 20 0 0 Christoph Moser Energie [kWh] Temperatur [°C] 36 1 2 Zeit [h] 3 Kompakte thermische Energiespeicher 4 5 18 Betrachete Varianten(I) Solar Wasser Heizung Warmwasser Solar PCM Heizung Warmwasser Solar PCM Wasser Solar Wasser Bypass Christoph Moser Heizung Warmwasser Heizung Warmwasser PCM Kompakte thermische Energiespeicher 19 Erste Erkenntnisse • Wärmetauscher • Temperatur • Entzogene Leistung • Wasserspeicher für Warmwasserbereitung • Bypass-Konzept größtes Potenzial Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 20 Betrachete Varianten(II) Solar Wasser Solar PCM Bypass Christoph Moser Wasser Heizung Warmwasser Heizung Warmwasser Kompakte thermische Energiespeicher 21 Fazit • Materialdaten • Enthalpiemessungen • Neue Daten für Viskosität • 3 Funktionsfähige Auslösemechnaismen • CO2, Peltierelemente und Kristallisationskeime • Validiertes Simulationsmodell • Dynamische Anlagensimulation • 4 Systemvarianten mit PCM betrachtet • Auswertung der Energie – Exergie • Bewertung der Speicherdichte • Ergebnisse noch unbefriedigend Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 22 Ausblick • Verbesserung der thermischen Leistung • Zugabe von Additiven (CMC, Graphit) • Reduzierung des Wassergehaltes • Regelstrategie • Pulsierender Betrieb • Demonstrationsprototyp • Validierung der Anlagensimulation • Optimierung des Gesamtsystems Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 23 Danksagung Die aktuellen Forschungen werden vom 7. Forschungsrahmenprogramm der Europäischen Union durch das Projekt COMTES (Combined development of compact thermal energy storage technologies) mit der Projektnummer 295568 finanziert. Danke für die Aufmerksamkeit Christoph Moser Kompakte thermische Energiespeicher 24
