000000290306 - Bundesamt für Energie BFE

Eidgenössisches Departement fürUmwelt, Verkehr, Energie und
Kommunikation UVEK
Bundesamt für Energie BFE
Schlussbericht 30. April 2010
Thermische Speicher
Grundsätzliche Untersuchungen zum Einsatz
von PCM für solarthermische Anwendungen
R:\Working_Groups\Task_42\1_Projektmanagement\Berichte\2010_ALF_Endbericht_Speicher_BFE_PG_ef.docx
Auftraggeber:
Bundesamt für Energie BFE
Forschungsprogramm Solarwärme
CH-3003 Bern
www.bfe.admin.ch
Auftragnehmer:
Institut für Solartechnik SPF
Hochschule für Technik HSR
Oberseestr. 10
CH-8640 Rapperswil
www.solarenergy.ch
Autoren:
Paul Gantenbein, Institut für Solartechnik SPF, [email protected]
Elimar Frank, Institut für Solartechnik SPF, [email protected]
BFE-Bereichsleiter: Andreas Eckmanns
BFE-Programmleiter: Jean-Christophe Hadorn
BFE-Vertrags- und Projektnummer: 153803 / 102060
Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich der Autor dieses Berichts
verantwortlich.
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................................... 3
Abstract ................................................................................................................................................... 4
1. Einleitung ......................................................................................................................................... 5
1.1.
Grundformen der PCM Elemente ............................................................................................ 5
1.2.
Temperaturbereich – Integration in eine Solaranlage ............................................................. 5
2. Modellierung ..................................................................................................................................... 6
2.1.
Strömung und Wärmetransport (Meso Scale Modelling) ........................................................ 6
2.2.
Wärmekapazitäts- & Enthalpie-Methode in der Modellierung ................................................. 8
3. Thermische Energiedichte ............................................................................................................... 8
3.1.
Wasserspeicher als Referenz ................................................................................................. 8
3.2.
Energie der Phasenänderung verschiedener PCM................................................................. 9
4. Schlussfolgerungen und Ausblick .................................................................................................... 9
5. Referenzen ..................................................................................................................................... 10
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Abstract
Der thermische Energiebedarf hat oft keine zeitliche Übereinstimmung mit dem Angebot an
Solarenergie. Daher ist die Speicherung notwendig und mit einer Energiedicht grösser als
jene von Wasser würde der Raumbedarf reduziert. Phasenänderungsmaterialien (PCM) und
geeigneten Chemikalien erfüllen diese Forderung in eingeschränkten Temperaturbereichen,
da Wasser zum Vergleich im Temperaturbereich von T=0°C bis 100°C sehr gute
thermodynamische und aber auch sicherheitsrelevante Eigenschaften aufweist. Ist die
Temperatur Tsl der Phasenänderung dem Niveau der Nutztemperatur TNutz angepasst und ist
die Phasenänderungsenergie ∆hf ein Vielfaches der spezifischen Wärme cp(T), dann sind
PCM dem Wasser in einem Temperaturbereich von rund ∆T~10°C um die
Phasenänderungs-Temperatur Tsl herum überlegen. In der Klimatisierung von Arbeitsräumen
oder als Wärmequelle zum Betrieb von Wärmepumpen können daher Speicher mit
Phasenänderungsmaterialien effizient eingesetzt werden. Teile der Ergebnisse aus den
Arbeiten wurden in einer Arbeitsgruppe der IEA SHC Task 42 präsentiert.
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1.
Einleitung
Speicher für Solarthermie sind zentral und seit einiger Zeit wird über den Einsatz von
Phasenänderungsmaterialien (PCM) diskutiert. Der Einsatz von PCM wurde auch im
Rahmen des Task 32 der IEA SHC untersucht [1]. In dem Zusammenhang sind in diesem
Bericht grundlegende Ansätze und Einschränkungen etc. dargestellt.
Dazu wurden zunächst die Grundformen der PCM-Elemente zusammengestellt und die
Einbindbarkeit von PCM in thermische Solaranlagenkonzepte auf dem Hintergrund
unterschiedlicher Temperaturbereiche untersucht.
1.1. Grundformen der PCM Elemente
Phasenänderungsmaterialien werden z. T. aus hygienischen aber auch energietechnischen
Gründen gekapselt. Je nach Anforderung an den Speicher, in welchem PCM eingesetzt
werden, kann daraus für die Gestaltung des Wärmeübertragers eine entsprechende
geometrische Grundform abgeleitet werden. In Fig. 1 sind die Grundformen – Zylinder,
Quader, Kugel und daraus abgewandelte Formen – dargestellt [2].
Fig. 1: Geometrische Grundformen in der Anwendung von gekapselten PCM. Zylinderform mit PCM
innen a) und Zylinderform mit PCM aussen b), Kugelform c), Platten- bzw. Quaderform d),
Tropfenform e) für bessere Raumnutzung.
Je nach Anforderung an den Speicher ist die Wahl so zu treffen, dass eine energetisch
optimale und kostengünstige Komponente resultiert.
1.2. Temperaturbereich – Integration in eine Solaranlage
Thermische Solarenergiespeicher erfüllen ihre Anforderungen bei guter
Temperaturschichtung. Vorteilhaft sind dafür eher schlanke und hohe Bauformen des
fluidführenden Behälters und eine optimale Position der Rohrleitungsanschlüsse für die
Einspeisung der Solarwärme. Tiefe Rücklauftemperaturen zum Kollektorfeld erhöhen den
Solarertrag. Demzufolge wirkt ein PCM-Speicher im tiefen Temperaturbereich (z.B.: T = 10°C
bis T = 30°C) ertragssteigernd, wenn die Phasenänderung entsprechend in diesem
Temperaturbereich eingestellt wird. In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von (Nutz-)
Temperaturbereichen aus Solaranlagen und der Position eines Wasser- (Tank 1) sowie
eines PCM-Speichers (Tank 2) dargestellt. Die zwei in der Grafik übereinander gezeichneten
Speicher entsprechen einer möglichen Temperaturschichtung des Nutzwassers.
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Der im vorgeschlagenen Temperaturbereich von T = 10°C bis 30°C eingesetzte
PCM/Wasser Speicher dient als Wärmequelle für eine Wärmepumpe und führt so einem
höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe selbst und des thermischen Solarkollektors. Der
Wirkungsgrad des gesamten Systems lässt sich damit erhöhen. Da der Wärmeverlust
(Wärmegewinn) aus den Speichern direkt proportional mit der Temperaturdifferenz von
Speichertemperatur zu Umgebungstemperatur (∆T = TSpeicher – Tamb) verläuft, werden diese
aus dem Speicher Tank 1 reduziert.
Fig. 2: Darstellung von Temperaturbereich der Nutztemperaturen und Verwendung von PCM als
Speichermaterialien zur Steigerung der thermischen Energiedichte. Die zwei Speicher (rechts)
werden bei unterschiedlichen Temperaturniveaus (T(Tank1) > T(Tank2)) betrieben und die
Darstellung in der Grafik soll eine Temperaturschichtung andeuten.
2.
Modellierung
2.1. Strömung und Wärmetransport (Meso Scale Modelling)
In der Dimensionierung von PCM-Speichern ist das dynamische Verhalten massgebend
bezüglich dem Verhältnis von Volumen V zu Oberfläche O, da der Wärmetransport nur über
die Grenz- und Oberflächen geschehen kann. Bei der Untersuchung des Wärmetransports
helfen Strömungsuntersuchungen an physikalischen Modellen, die Zahl der Experimente zu
reduzieren. Dazu wurde eine vereinfachte Anordnung von gekapseltem PCM und
Wärmeträgerfluid, welches das PCM-Element umgibt, aufgebaut. Fig. 3 zeigt ein stationäres
2D-Strömungsprofil von Wasser um ein tropfenförmiges PCM-Element. Das Modell wird
derzeit weiter ausgebaut, um zu untersuchen, wie die Wärmeübertragung die Leistung des
Elementes beeinflusst.
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Meso Scale Modelling
D=40 mm
Fig. 3: Stationäres Strömungsprofil für Wasser um ein
gekapseltes PCM-Element bei vorgegebener
Strömungsgeschwindigkeit v. Im Bild sind Stromlinen
(v) und Isobarenlinen (p) dargestellt.
Die Art der Strömung hat einen Einfluss auf den
Wärmetransport aus dem - oder in das PCM-Element
und bestimmt nebst anderen Parametern die
thermische Leistung des Speicherelements bzw. systems.
PCM
Flow direction
Flow Velocity v
2.8E+04
1.4E+05
Cp(m, dT =
7°C) [J/kg*K]
Cp(s, dT = 7°C)
[J/kg*K]
effective heat capacity cp(m, s; ∆T=7°C) [J/kg*K]
2.4E+04
1.3E+05
1.2E+05
Cp(T, water)
[J/kg*K]
2.2E+04
Cp(m, dT =
2°C) [J/kg*K]
1.1E+05
2.0E+04
Cp(s, dT = 2°C)
[J/kg*K]
1.0E+05
1.8E+04
9.0E+04
1.6E+04
8.0E+04
1.4E+04
7.0E+04
1.2E+04
6.0E+04
Tend
Tstart
1.0E+04
5.0E+04
8.0E+03
4.0E+04
6.0E+03
3.0E+04
T2
T1
4.0E+03
2.0E+04
2.0E+03
1.0E+04
0.0E+00
effective heat capacity cp(m, s; ∆T=2°C) [J/kg*K]
2.6E+04
0.0E+00
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
temperature T [°C]
Fig. 4: Spezifische Wärmekapazität cp(T) nach der Methode der effektiven spezifischen
Wärmekapazität cp,eff(T), wie sie z.B. in den Berechnungen eingesetzt wird. Im Diagramm der Grafik
ist ein PCM mit ∆T=2°C und ∆T=7°C um die Phasenänderung Tsl= 25°C dargestellt [4].
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2.2. Wärmekapazitäts- & Enthalpie-Methode in der Modellierung
In Fig. 4 sind Differential Scanning Calorimetry (DSC) Daten aus der Literatur
zusammengestellt, welche für ein Paraffin mit einer Phasenänderungstemperatur von
Tsl = 25°C ermittelt wurden [4]. Die Messkurven sind mit Polynomen approximiert und in
Form der sogenannten effektiven spezifischen Wärmekapazität cp, eff(T) dargestellt. Diese
Daten dienen als Eingabewerte zu Simulationen.
Die thermische Kapazität Q eines PCM mit der Masse m im Bereich der Phasenänderung Tsl
entspricht der Summe der beiden Integrale in der Klammer des Ausdruck (1) über die
Temperaturbereiche ∆T=T2 – T1 und Tstart bis Tend, s. Fig. 4:
(1)
Der Temperaturbereich ∆T~10°C ist entsprechend um die Temperatur der Phasenänderung
Tsl festzulegen.
3.
Thermische Energiedichte
3.1. Wasserspeicher als Referenz
Im Temperaturbereich des unter Normalbedingungen flüssigen Wassers ist dieses als
Referenz zu PCM-Speichermaterialen heranzuziehen (insbesondere dort, wo im
Endverbrach Wasser genutzt wird). Hier sei auf die thermischen Saisonspeicher im
Einfamilienhausbau mit einem Wassertank-Volumen in Bereich von V = 25m3 bis V = 30m3
verwiesen. In Fig. 5 sind die Speicherdichten Q von Wasser [5] und zwei PCM pro m3
eingezeichnet. Übersteigt die Temperaturdifferenz ∆T 45°C [PCM (18°C)] bzw. 55°C [PCM
(25°C)] so ist Wasser als Speichermedium vor zu ziehen.
energy density Q [kWh/m3]
120.0
Water
PCM (18°C)
PCM (25°C)
100.0
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100
temperature difference ∆T [°C]
3
Fig. 5: Thermische Energiedichte Q (sensibel) von V=1m Wasser mittlerer thermischer Kapazität:
3
ρ(T)*cp(T)=950*4.18 [(kg/m )(kJ/kg*K)] in Funktion der Temperaturdifferenz ∆T. Zum Vergleich sind
in die Grafik integriert die Kurven der Energiedichte von zwei unterschiedlichen PCM mit einer
Phasenänderung bei 18°C bzw. bei 25°C. Die „Stufe“ in den PCM-Kurven entsteht durch frei
werdende latente Wärme – die Phasenänderungswärme.
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In Tabelle 1 ist in ein Zahlen-Vergleich der Speicherdichten von Wasser und einem Latentwärmespeicher mit technischem Paraffin PCM für eine Temperauränderung vonΔT = 80°C
und ΔT = 10°C bei der Paraffin Phasenumwandlung fest-flüssig T(s - l) = 25°C aufgeführt.
Tabelle 1: Energiedichte von Wasser und Parafin bei einer
Temperaturdifferenz von ΔT=80°C und ΔT=10°C @25°C.
Für einen grossen Temperarturbereich von ΔT = 80°C ist der
Wasserspeicher dem Paraffin3
Speicherdicht Q [kWh/m ]
Speicher überlegen. Ist aber ein
ΔT [K]
Wasser
PCM
Einsatz des Paraffin-Speichers bei
einem Temperaturniveau am
80
93.3
57.8
Phasenumwandlungspunkt möglich
und ist der Temperaturbereich auf
10 (bei 25°C)
11.7
22.2
z.B. ΔT = 10°C beschränkt, dann
unterliegt der Wasserspeicher
bezüglich der Speicherdichte. Wie bei jeder anwendungsorientierten Entwicklung ist auch
hier dieser theoretischen Überlegung eine experimentelle Verifikation anzuschliessen, zumal
das PCM eingekapselt sein muss und bei einer kugelförmigen Einkapselung nur rund 60%
des Volumens mit PCM gefüllt sein kann.
3.2. Energie der Phasenänderung verschiedener PCM
Je nach Nutz- bzw. Anwendungstemperatur eignet sich das Phasenänderungsmaterial mit
entsprechender Phasenänderungstemperatur Tsl. In Tabelle 2 sind die wichtigsten
physikalischen Grössen, wie Schmelztemperatur Tl und Verfestigungstemperatur Ts, Dichte
ρ(T) sowie Phasenänderungsenergie ∆hf einiger Stoffe zusammengestellt [6, 7]. Aus der
Spalte mit den Angaben zu ∆hf ist ersichtlich, dass Wasser bzw. Eis sich als
„Latentwärmespeicher“ eignen kann, wenn die Nutztemperatur von 0°C ausreichend ist.
Tabelle 2: PCM und ihre physikalischen Daten. Daten zu PCM – Paraffine siehe [6, 7].
Melting Point Solidification Latent Heat of
Density ρ(T) Remarks
Point Ts
Melting ∆hf
Tl
PCM Materials
[°C]
[°C]
[kJ/kg]
[kg/l]
[-]
Water/Ice
0
0
330
0.92
(0°C)
Glauber Salt (Na2SO4*10H2O)
32
32
251
1.46
Sodium Acetat (CH3COONa*3H2O)
55
55
242
1.29
PCM - Paraffine
RUBITHERM RT4
RUBITHERM RT5
RUBITHERM RT6
RUBITHERM RT21
RUBITHERM RT27
RUBITHERM RT42
RUBITHERM RT55
RUBITHERM RT65
RUBITHERM RT82
RUBITHERM RT90
4.
2
1
4
18
25
37
51
64.1
77
90
4
6
7
23
28
43
57
63
85
112
182
198
175
134
184
174
172
152
176
124
0.77
0.77
0.88
0.88
0.87
0.88
0.88
0.88
0.88
0.88
(liquid / 15°C)
(liquid / 15°C)
(-15°C)
(20°C)
(15°C)
(15°C)
(15°C)
(15°C)
(15°C)
(15°C)
Schlussfolgerungen und Ausblick
Speicherung thermischer Energie ist insbesondere im Zusammenhang mit solarthermischen
Systemen unerlässlich und beeinflusst die Wirtschaftlichkeit eines Systemkonzeptes
entscheidend. Entsprechend ist dieser Technik eine sehr hohe Bedeutung auch im
Forschungsbereich beizumessen [8]. Wie beschrieben, ist eine hohe Energiedichte
anzustreben, wenn hohe solare Deckungsgrade bzw. ein geringer Platzbedarf des
Wärmespeichers erreicht werden sollen. PCM können gegenüber Wasser in
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eingeschränkten Temperaturbereichen einen Vorteil bieten, der apparative Aufwand ist
jedoch meist höher (vgl. [8]. Daher ist ein hoher Energieumsatz bzw. eine lange
Lebensdauer wichtig, um angesichts vergleichsweise hoher Investitionskosten für PCM die
Wärmegestehungskosten des Systems mit PCM zu verringern.
Der Einsatz von „Tieftemperatur PCM Speichern“ wird in der Solar-Branche vermehrt
diskutiert und untersucht. Die Forschungsaktivitäten des SPF zielen daher in Richtung einer
optimalen Anpassung des auf dem Markt erhältlichen Phasenänderungsmaterials an seine
Aufgabe sowie der Auslegung des in das PCM eingetauchten Wärmeübertragers. Unsere
Zusammenarbeit und der Erfahrungsaustausch in der IEA Task / ECES Annex 4224 Working
Group (IEA SHC Task 42 & IEA ECES Annex 24; Compact Thermal Energy Storage:
Material Development and System Integration) umfasst Präsentationen zu den geleisteten
Arbeiten und Mithilfe in der Koordination und Ausarbeitung der Berichte der Untergruppe
WGA3 - Numerical Modelling.
5.
Referenzen
[1]
W. Streicher et al. 2008. IEA SHC Task 32 - Report C7 of Subtask C.
http://www.iea-shc.org/publications/category.aspx?CategoryID=64.
Harald Mehling, Luisa F. Cabeza. Heat and cold storage with PCM: An up to date
introduction into basics and applications. Springer Verlag, 2008.
M. Safarik. Solare Klimakälteerzeugung - Technologie, Erprobung und Simulation.
Dissertation, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 2003.
P. Lamberg et al.. Numerical and experimental investigation of melting and freezing
processes in phase change material storage. International Journal of Thermal
Sciences 43 (2004) 277-287.
VDI-Wärmeatlas (1997). Recherchieren – Berechnen –Konstruieren. Herausgeber:
Verein Deutscher Ingenieure, Springer Verlag Berlin Heidelberg.
Advanced Thermal Energy Storage through Phase Change Material and Chemical
Reactions – Feasibility Studies and Demonstration Projects. IEA ECES Annex 17,
2005.
http://www.rubitherm.de, 1. 12. 2009.
Dagmar Oertel. Energie Speicher – Stand und Perspektiven. Sachstandsbericht zum
Monitoring „Nachhaltige Energieversorgung“, Arbeitsbericht Nr. 123. Büro für
Technologiefolgen-Abschätzung beim Bundestag (D), 2008.
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[6]
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