1 Nutzung eines unterkühlten Phasenwechselmaterial ...comtes-storage.eu/wordpress/wp-content/uploads/2015/06/04_160316... · Melting point = 58 °C Sodium acetate Water Supercooling

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Nutzung eines unterkühlten Phasenwechselmaterial-Wärmespeichers für saisonale Anwendungen (COMTES Line C)

24.03.2016 Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

1

Aufheizen mit Phasenwechsel Grundkonzept


2

0

100

200

300

400

500

600

700

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Stor

ed E

nerg

y

Temperature

Abkühlen mit Unterkühlung Grundkonzept


3

0

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200

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500

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20 30 40 50 60 70 80 90 100

Stor

ed E

nerg

y

Temperature

Aktivierung der Kristallisation Grundkonzept


4

0

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700

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Stor

ed E

nerg

y

Temperature

Vergrößern Grundkonzept


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ca. 10 x 5 x 1 cm 0.1 – 0.2 kg

ca. 240 x 120 x 5 cm 200 – 250 kg

M. Dannemand, W. Kong, J. Fan, J. Berg Johansen, S. Furbo, Laboratory test of a prototype heat storage module based on stable supercooling of sodium acetate trihydrate,. Energy Procedia, 2015

COMTES Line C Wärmespeicherung mit unterkühltem PCM

EC FP7 Project


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Herausforderungen

• Materialien (Charakterisierung, Phasentrennung, Korrosion) • Stabile Unterkühlung • Auslösung der Kristallisation • Hohe Leistung bei brauchbaren Temperaturen • Regelungsstrategien • Systemintegration


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Sodium Acetate Trihydrate (SAT)

CH3COONA · 3H2O Literaturwerte: (G. A. Lane, Solar Heat Storage: Latent Heat Material Volume II) Schmelztemperatur: 58 °C Schmelzwärme: 226 kJ/kg Spez. Wärmekapazität (fest) 2.79 kJ/(kg.K) Dichte flüssig (at 58 °C): 1.28 g/cm3

fest: 1.45 g/cm3

Speichermaterial


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Wärmekapazität von SAT Speichermaterial


9

0

100

200

300

400

500

600

700

800

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temperature [°C]

Stor

ed e

nerg

y [k

J/lit

re]

Melting point = 58 °C

Sodium acetate

Water

Supercooling

Activation ofsolidification

Schultz J. M., Furbo S., Solar heating systems with heat of fusion storage with 100% solar fraction for solar low energy buildings, Proceedings of ISES world congress 2007 (Vol. I – Vol. V), Beijing, China

Gemessene Wärmekapazität von SAT Speichermaterial


10

-500

50100150200250300350400450

0 20 40 60 80 100

Enth

alpi

e [J

/kg]

Temperatur [°C]

42% 466mg22-DSC

42% 354mg98-DSC

42% 57mg25-DSC

42 wt% T-History

Dynamische Viskosität von SAT Speichermaterial


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[4] J. Fan, S. Furbo, E. Andersen, Z. Chen, B. Perers, M. Dannemand, Thermal behavior of a heat exchanger module for seasonal heat storage. SHC 2012 Conference Proceedings, San Francisco, USA, 2012. [6] S.K. Sharma, C.K. Jotshi, A. Singh (1984). Viscosity of Molten Salt Hydrates. Journal of Chemical and Engineering Data, Vol. 29, No. 3, pp. 245-246.

0,0000,0050,0100,0150,0200,0250,0300,0350,0400,0450,050

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Dyn

. Vis

kosi

tät [

Ns/

m²]

Temperatur [°C]

42% (Sharma [6])

42% (Fan [4])

42% (IWT meas.)

44% (IWT meas.)

46% (IWT meas.)

48% (IWT meas.)

Dichte von SAT Speichermaterial


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1200

1250

1300

1350

1400

1450

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Dic

hte

[kg/

m³]

Temperatur [°C]

42% (Furbo [8])

42% (Fan [6])

42% (IWT meas.)

44% (IWT meas.)

46% (IWT meas.)

48% (IWT meas.)

[8] S. Furbo, S. Svendsen, (1977). Report on heat storage in a solar heating system using salt hydrates. Thermal Insulation Laboratory, Technical University of Denmark, report no. 70. Revised February 1978. [6] J. Fan, S. Furbo, E. Andersen, Z. Chen, B. Perers, M. Dannemand, (2012). Thermal behavior of a heat exchanger module for seasonal heat storage. SHC 2012 Conference Proceedings, San Francisco, USA.

Phasentrennung

Löslichkeit sinkt bei tiefen Temperaturen 60% Sodium Acetate + 40% H2O Inkongruentes Schmelzen - Phasentrennung

Lösungsansätze: Anteil des Wassers erhöhen 55% Sodium Acetate + 45% H2O

Eindicken mit Zusätzen Carboxy Methyl Cellulose, CMC Xanthan Gummi, X-Gum Ethylene Diamine Tetraacetic, EDTA

Speicherdichte


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Unterkühltes SAT Unterkühltes SAT + H2O

Unterkühltes SAT + CMC

Wärmeleitfähigkeit von SAT

SAT: 0.4 - 0.7 W/(m∙K) Luft : 0.03 W/(m ∙ K) Stahl: 60 W/(m ∙ K) Edelstahl: 15 W/(m ∙ K)

SAT mit Graphite (150 W/(m ∙ K)) 0.5% X-Gum + 5% graphite powder: 0.73 W/(m ∙ K) 0.5% X-Gum + 10% graphite powder: 0.92 W/(m ∙ K) 0.5% X-Gum + 15% graphite powder: 1.20 W/(m ∙ K)

Speichermaterial


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Korrosion

Hohe Korrosion bei Verwendung von Aluminium in Kombination mit anderen Metallen (z.B. Stahl)

Rostbildung bei Verwendung von Stahl Keine Korrosion bei der Verwendung von Edelstahl

Speichermaterial


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Erster Prototyp im Labor Messungen


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Versuchsaufbau

07142128354249

01234567

0 0.5 1 1.5

Rück

lauf

tem

pera

tur [

°C]

Leis

tung

[kW

]

Entladezeit [h]

bei 250 kg/h

Ergebnisbeispiel

Moser, C.: Saisonale Wärmespeicherung auf Basis von Phasenwechselmaterial. Erneuerbare Energie, Zeitschrift für eine nachhaltige Energiezukunft (2014) 3, page 10 - 13

Expansion und Wärmeübertragung Messungen


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10 % Volumenausdehnung beim Phasenwechsel von fest auf flüssig → Luftvolumen mit Ausdehnungsgefäß

Luftblasen zwischen PCM and Wärmetauscher → Ölschichte auf der Oberfläche

Auslösung der Kristallisation Messungen


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Abkühlung von unterkühltem PCM mit Peltier Element

Einbringen eines Kristallisationskeims mit einer Nadel

Abkühlung durch CO2 Expansion an der Außenseite des Moduls

Entwicklung und Test der Vorrichtungen Messungen


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PCM Speicher Modell für TRNSYS

1-dim Knotenmodell Ansatz für die Wärmeleitung: Explizite Methode Zwei Wärmetauscher (oben und unten)

Simulation


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Validierung des Speichermodells Simulation


21

0

1

2

3

4

5

6

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8

20

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40

0 1 2 3 4 5

Ener

gie

[kW

h]

Tem

pera

tur [

°C]

Zeit [h]

T_VL [°C]T_RL_Mess [°C]T_RL_Sim [°C]Energie_Mess [kWh]Energie_Sim [kWh]

System Simulationen mit TRNSYS Simulation


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PCM Solar Heating Hotwater

Solar Water Heating Hotwater

PCM Solar Water Heating Hotwater

PCM Bypass

Moisi, H. (2014); Simulation based analysis of a seasonal thermal storage system using PCM; Master Thesis at IWT, TU Graz

Demonstrationssystem

Aufgebaut an der Technischen Universität in Dänemark am Solarteststand 22.4 m² Vakuumröhrenkollektoren

4 PCM Module mit 800 kg SAT

735 l Tank in Tank Pufferspeicher Simulierte Abnahme: Dänisches Passivhaus Voraussichtlicher solarer Deckungsgrad: 80%

Demonstration


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Installierte PCM Module

Vier Module mit ca. 200 kg Sodium Acetate Trihydrate (SAT) & Additive: Carboxymethyl Cellulose (CMC) zum Eindicken; verhindert die Phasentrennung

Graphit Pulver (C); Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit (Eindicken notwendig)

Paraffin Öl; Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen PCM (fest) und Wärmetauscher

Erhöhter Wasseranteil und Ethylenediaminetetraacetic Acid (EDTA) ; verhindert die Phasentrennung

Zusammenstellung der Speichermodule:

Demonstration


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Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Tank Material: Stahl Edelstahl Stahl Edelstahl

PCM Gemisch: SAT + 1% CMC + 2% C + 5l Öl

SAT + 1% CMC SAT + 1% H2O

+ 1% EDTA SAT + 2 % EDTA

PCM Gewicht: 202 kg 220 kg 202 kg 158 kg

Zusammenfassung - Erkenntnisse Material (Sodium Acetate Trihydrate, SAT)

Neue Daten für SAT vor allem für den unterkühlten Zustand Thermische Messungen

Experimente im Labor beweisen, dass das Prinzip funktioniert; Leistung ist jedoch geringer als erwartet

TRNSYS Simulationen Neues Speichermodel für TRNSYS wurde entwickelt und mit Messdaten validiert Simulationen unterschiedlicher Systeme zeigten Verbesserungspotentiale auf

Vorrichtungen zur Auslösung der Kristallisation Vorrichtungen mit Peltier Element und Nadel wurden entwickelt und getestet

Demonstrationssystem Das Gesamtsystem funktioniert und liefert vielversprechende Ergebnisse Weiterentwicklung ist im Gange


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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.


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Publikationen I Long term thermal energy storage with stable supercooled sodium acetate trihydrate, Mark Dannemand, Jørgen M. Schultz, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Applied Thermal Engineering (91), 2015 Solidification behaviour and thermal conductivity of bulk sodium acetatet trihydrate mixtures with thickening agents and graphite powder, Mark Dannemand, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Solar Energy Materials and Solar cells, Vol 145, part 3, pp. 287-295, 2016 Thermal conductivity enhancement of sodium acetate trihydrate by adding graphite powder and the effect on stability of supercooling, Jakob Berg Johansen, Mark dannemand, Weiqiang Kong, Jianhua Fan, Janne Dragsted, Simon Furbo. Energy Procedia (ISSN: 1876-6102) (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2015.02.121), vol: 70, pages: 249-256, 2015 Laboratory test of a prototype heat storage module based on stable supercooling of sodium acetate trihydrate, Mark Dannemand, Weiqiang Kong, Jianhua Fan, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Energy Procedia (ISSN: 1876-6102) (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2015.02.113), vol: 70, pages: 172-181, 2015


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Publikationen II Testing of PCM heat storage modules with solar collectors as heat source, Gerald Englmair, Mark Dannemand, Jakob Berg Johansen, Weiqiang Kong, Janne Dragsted, Simon Furbo, Jianhua Fan. International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, SHC 2015 Laboratory test of a cylindrical heat storage module with water and sodium acetate trihydrate. Mark Dannemand, Weiqiang Kong, Jakob Berg Johansen, Simon FurboInternational Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, SHC 2015 Validation of a CFD model simulating charge and discharge of a small heat storage test module based on a sodium acetate water mixture, Mark Dannemand, Jianhua Fan, Simon Furbo, Janko Reddi. Energy Procedia (ISSN: 1876-6102) (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2014.10.254), vol: 57, pages: 2451–2460, 2014 Saisonale Wärmespeicherung auf Basis von Phasenwechselmaterial. C. Moser, Erneuerbare Energie, Zeitschrift für eine nachhaltige Energiezukunft (2014) 3, page 10 - 13


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Masterarbeiten Moisi, H. (2014); Simulation based analysis of a seasonal thermal storage system using PCM; Master Thesis at IWT, TU Graz Dröscher, H. (2012); The chemical system of sodium acetate / water as phase change material (PCM) for the use in seasonal energy storage; Master Thesis at IWT, TU Graz


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