Thermische Energiespeicher mit Phasenwechselmaterial Gastvortrag am Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Montanuni Leoben von Hermann Schranzhofer [email protected]

15.11.2013 1 von 20

Inhalt     

Einführung und Motivation Thermische Energie Speicher (TES) Phasenwechselmaterialien (PCM) TES mit PCM Saisonspeicher mit Unterkühlung

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Institut für Wärmetechnik (IWT) Leitung:

Leiter: Univ.-Prof. Christoph Hochenauer Stv. Leiter: Ao.Univ.-Prof. René Rieberer Mitarbeiter: ca. 30 Vollzeit-Mitarbeiter + Lehrbeauftragte + stud. Mitarbeiter & Diplomanden Arbeitsbereiche: • Thermische Energieanlagen und energetische Biomassenutzung • Energieeffiziente Gebäude • Heizungs-, Kälte-, Klimatechnik 3 von 20

Thermische Anlagen und Gebäude

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Thermische Anlagen- und Gebäudesimulation

TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation Program)

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Warum Wärme speichern? Beispiel thermische Solaranlage Zeitliche Entkopplung von Angebot und Nachfrage a) Tag - Nacht b) Sommer - Winter

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Thermische Energiespeicher (TES) Warmwasserspeicher a) b) c) d)

Temperaturbereich: 0 – 100 °C Kurz- bis Mittelzeitspeicher Übliche Größen: 100 – 500 Liter Speichermedium Wasser i. ii. iii. iv. v. vi. vii.

Spez. Wärmekapazität: 4,19 kJ/(kg.K) Dichte: 1000 kg/m³ Wärmeleitfähigkeit: 0,56 W/(m.K) Pumpbar Ungiftig Billig Verfügbar

e) Nachteile a) b)

Geringe Energiedichte Hohe Verluste 7 von 20

Warum neue Speichertechnologien Platzbedarf und damit Kosten für umbauten Raum Akzeptanz durch die Benutzer

Einfamilienhaus Nader (Graz-Ries) 150 m² Wohnfläche 75 000 l Wasserspeicher 85 m² Kollektorfläche 8 von 20

Die Materialfrage

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Speicherdichte verschiedener Materialien pro Volumseinheit [kJ/dm³]

1000

Enthalpie [kJ/dm³]

Enthalpie [kJ/kg]

pro Masseeinheit [kJ/kg]

800

1000

800

600

600

400

400

200

Wasser Paraffin Sodium Acetat Sodium Acetat+Graphit

0 0

20

40

60

Temperatur [°C]

80

100

200

W P S S

0 0

20

40

60

80

100

Temperatur [°C]

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Vielversprechende Werte … 500

water

paraffin (Sasol 6805)

SA

SA+graphite

H - H50°C [kJ / liter]

400

H = 396 [kJ/liter]

300 200 100

H = 229 [kJ/liter] H = 183 [kJ/liter] H = 84 [kJ/liter]

0

T = 20 [°C]

-100 20

30

40

50

60

70

80

temperature [°C]

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Erhöhung der Speicherdichte gegenüber Wasser [-]

… jedoch mit Vorsicht zu genießen! 13,0 Sodium Acetat

11,0

Sodium Acetat + Graphit Paraffin

9,0

7,0

5,0

3,0

1,0 50 - 60

50 - 65

50 - 70

50 - 75

50 - 80 50 - 85 50 - 90 Temperaturbereich [°C]

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Integration von PCMs in Wärmespeicher Versuchsspeicher am IWT • Volumen: ~35 Liter • 7 Zylindrische PCM Elemente ø 5 cm

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Integration von PCMs in Wärmespeicher Versuche am IWT mit zylindrischen Modulen, unterschiedliche PCMs Entladeleistung [kW]

Leistung aus Wasser

Leistung aus PCM

2,5

2,0

1,5

Starttemperatur Speicher ≈ 70°C

1,0 Sodium Acetat Trihydrat + Graphit

0,5 Sodium Acetat Trihy drat

0,0 Paraffin

T ≈ 50°C

-0,5 0

50

100

150

200

250

300

m = 100 kg/h

Zeit [min]

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Modellierung und Simulation PCM Speichermodell • Eindimensionales Mehrknotenmodell für das Speichermedium (Wasser oder PCM Slurry)

• Phasenwechsel wird durch die Enthalpiemethode modelliert • 5 direkte Ein-/Auslässe und/oder 5 interne Wärmetauscher • PCM Module - Zylinder: 2-dimensionale Wärmeleitung

mikPCM , hikPCM , TikPCM

iN

- Kugeln: 1-dimensionale Wärmeleitung - Platten: 2-dimensionale Wärmeleitung • Simulation von mehreren Zonen mit

UAiPCM

k 1

k  nr

hi , Ti mi

unterschiedlichen PCMs

• Berücksichtigung der Unterkühlung

i2

• Implementiert in TRNSYS 16

i 1

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Modellierung und Simulation PCM Speichermodell – Validierung anhand von Messdaten Abkühlen des Speichers  Verlauf der Temperaturen im Speicher layer 4 (bottom)

75

Wasser water: PCMPCM (Oberfläche) (surface): PCMPCM (Mitte) (center):

temperature [°C] Temperatur [°C]

70

65

trnsys trnsys trnsys

exp exp exp

Starttemperatur Speicher ≈ 70°C

60

55

50

TVL  50 C  45

0

60

120

180

240

300

360

420

480

540

V  100 l / h

time [min] Zeit [min]

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100 80

inlet temperature Vorlauftemperatur

150

60

100

40

50

20

0 80

0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

80

100

120

140

160

100

120

140

160

Vorlauf-Temperatur inlet temperature [°C] [°C] .

Massenstrom mass flow

200

Temperatur [°C] temperature [°C] .

Massenstrom [kg/h] . mass flow [kg/h]

250

PCM Speicher - Validierung

Tinlet  70 C  V  100 bzw. 200 l / h

70 60 50 40

Leistung [kW] power [kW]

30 8 0

Twater (exp)

Twater (sim)

Tpcmsurface (exp)

Tpcmsurface (sim)

Tpcmcenter (exp)

Tpcmcenter (sim)

20

40

60 Psim

6

time [min]

Tinlet  30 C  V  100 bzw. 200 l / h

Pexp

4 2 0 0

20

40

60

80

time [min] Zeit [min]

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fractional energy savings

Solarer Deckungsgrad (Wasser vs. PCM) 1.0 0.9

PCM: A_Coll=80 m²

Δh=220 kJ/kg

64 m²

Tm=58°C

Saisonspeicher

0.8

48 m²

0.7

volume fraction 75 %

32 m²

0.6 0.5

16 m²

0.4 water water & PCM

0.3 0.2 0

10

20

30

40

50

60

70

80

V_store [m³] 18 von 20

PCM Speicher mit Unterkühlung Heat storage capacity of sodium acetate tri-hydrate

Stored energy [kJ/litre ]

800 700

Sodium acetate

600

Supercooling

500 400

Water

300

Activation of solidification

200 100

Melting point = 58 °C

0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Temperature [°C] 19 von 20

Erster Systementwurf 2

auxillary heaters

105

magnetic valves

26

peltier elements

5

pumps

34

temperature sensors DHW

36 m² Kollektorfläche 6 m3 PCM 24 Module

FW

SH

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Modul der 3. Generation

160 Liter PCM Höhe: 5 cm

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Entwurf der 4. Generation

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Modellentwicklung

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PCM System 2

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Erste Berechnungen der Speicherdichte

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Segregation

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Auslösen der Kristallisation mit Peltier-Element

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Zusammenfassung und Ausblick  Warmwasserspeicher ist nach wie vor ohne echter Konkurrenz  PCM Speicher ja, aber …  Der Trend geht Richtung Saisonspeicher  Materialfragen o Materialdaten (Viskosität, Dichte, Energie …) o Unterkühlung o Auslösung der Kristallisation o Segregation o Kosten o Alternative Materialien (?)  Speicherdichte

 Komplexes Gesamtsystem 28 von 20

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 Einladung Danke für Aufmerksamkeit

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