Offene Feststoff-Sorptions-Wärmespeicher für Raumheizung · Wartungsintensität, Kontrollierbarkeit, Life-Cycle-Analyse . 16.09.2016 3 − Mastertextformat bearbeiten > Zweite Ebene

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Offene Feststoff-Sorptions-

Wärmespeicher für Raumheizung

Bernhard Zettl

FH- Wels /Team ASIC

WKO- Speichertagung 14.9.2016


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− Flow TCS: Verlustfreie Solarspeicher mittels thermochemischer granular-flow Materialien,

2011-2014, kooperative Forschung, (FFG# 834423, Leitung ASIC)

− DualDesorption - Thermisch und elektrisch getriebene Desorption von

thermochemischen Wärmespeichermaterialien für solare Langzeitspeicher; e!MISSION.at

– 4. Ausschreibung, Sondierung, 2014-2015; FFG # 843844

− Tes4seT-C: Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Technology;

FFG #845020, seit 2014, Leitprojekt

Linie D: Thermochemische Wärmespeicher-Materialien für industrielle Abwärmenutzung

− OFFSORE- Offene Sorptionstechnik für Langzeit-Wärmespeicher

Technologieentwicklung und Simulation zur Realisierung eines praxistauglichen Labor-

Prototyp, 7 Partner, seit 2016, FFG# 853609.

ASIC-Projekte zum Thema

Sorptionsspeicher:

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SEITE | 3

Festkörper-Sorption mit Wasser

[ChemgaPedia, 2014]

Absorption: Chemische

Absorption ist ein Prozess der

Aufnahme (oder des „Lösens“)

eines Atoms, Moleküls oder eines

Ions in einer anderen Phase durch

Aufnahme in die absorbierenden

Phase

Zeolithe, Silica, etc.

Salz-Hydrate

Adsorption: Anlagerung an der

Oberfläche eines festen Stoffes:

Physi-Sorption (ohne Bindung),

Chemi-Soption (mit Dissoziation oder

chem. Bindung - auch irreversible)

[MaddChemie, 2016]


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1. Leistung &

Temperatur Eignung der Technologie

2. Energie/Materialkosten Machbarkeit

3. Enthalpie-Bereitstellung

im Winter (& im Sommer) Technische Komplexität

4. Betriebsverhalten Kundenakzeptanz

4 Fragen zur Anwendung:

Adsorption: Welche Wärmeleistung kann bei einer

gegeben (oder geforderten) Temperatur erbracht werden?

Desorption: Welche Temperatur ist für die Desorption

nötig?

Wieviel Wärmemenge kann genutzt werden, wie groß

muss der Speicher (und die Investition) sein?

Welche Quelle für Verdunstungsenthalpie für die

Adsorption (im Winter) ist zugänglich?

Welche Quelle für die Desorptionsenergie (im Sommer)

ist vorhanden?

Gebäudeintegration, Umweltfreundlichkeit, Lebensdauer

Wartungsintensität, Kontrollierbarkeit, Life-Cycle-Analyse

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Welche Wärmeleistung kann maximal bei einer gegeben (oder geforderten)

Temperatur erbracht werden?

Leistung/Temperatur Beispiel: TES4SET-C Prozessluftentfeuchtung

Bsp. NaY Zeolith (ca. 4kg) , Ofentrocknung 130°C, 18h


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Adsorption FLOW-TCS (für Gebäudeanwendungen)

Welche Wärmeleistung kann bei einer gegeben (oder geforderten) Temperatur

erbracht werden?

Leistung/Temperatur

T=35-60°C, Ptherm.=4-5kW, Dauerbetrieb

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Revolving heat drum adsorber - FlowTCS

Inlet

Outlet

Open sorption process with: air flow 140 m³/h therm. power max. 1400W pressure drop approx. 800 Pa el. power 120W batch size 55-70kg useable for salt-composites


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Temperaturkurven

Erwärmung „Konstant“- Phase Abkühlung

70kg Zeolith 4A (ca. 2% Feuchte), Luftstrom 140 m³/h, xein=16 g/kg

T= Taus-Tein

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Höhere Austritts-Temperaturen (z.B. für Warmwasser)

wenn Eintrittstemperatur erhöht wird

system border: tap water supply


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Desorptions-Temperaturen- Zeolith 4A

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5% Materialfeuchte bei 180°C und 15 mbar Wasserdampf(-partial)druck

[CWK-product folder]

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Heißluft Desorption Kollektor- Sommerbetrieb 2015

T-aus >160°C im Aug bei

ca. 600 W/m² (Abs.)


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Desorption mit Mikrowelle Material desorption-study

Stationary 4A zeolite specimen (40 g) in microwave furnace at 150°C and 200°C

good temperature controllability!

low magnetron power to reach temperature

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Material desorption-study

salt type and water content is influencing adsorption

Clinoptilolite +

7.5wt% CaCl2 + 7.5wt% LiCl

Clinoptilolite +

7,5% MgSO4 + 7,5% MgCl2


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Experimentelles Konzept für Durchlaufofen

• Two multi-mode microwave caverns, separately controlled

• Continuous treatment of material determined by feeding rate,

magnetron power, inlet air temperature,

• Limited leakage radiation <5 mW/cm² (limit for household

application) radiation filter at both openings

• Cooling by additional ventilation to protect material and

transportation belt

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Microwave furnace development


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Temperature development inside the microwave cavern

Process related results

Geringe Wirkung der Luftvorheizung, Gesamt-Effizienz für den Bandtrockner zu gering

Typical data of microwave dryer

• Elect. power: 1400W

• Exposure time: 20 min

• Feed rate: 2-5 kg/h

• Material bed:

26 cm width

0.5 cm height (approx.)

• Furnace length: 60 cm

• Max. belt temp. 300°C

• Max. cavern temp. 250°C

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Welche Wärmemenge kann genutzt werden, wie groß muss der Speicher (die

Investition) sein?

Nutzbare Wärmemenge hängt vom Material dem Desorptions- und

Adsorptionsprozess ab (nur durch Simulation erfassbar)

Anwendung für Haustechnik: Sorptionsspeicher muß sich mit anderen

Technologien messen

Vergleich mit WP Materialkosten (Luft-WP 15.000€ plus Strombedarf ca. 500€/a

(ca. 25% des Wärmebedarf), Kosten in 30 Jahren: 30.000€

Energie/Materialkosten


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High grade 4A versus economical zeolite 4A

Zeolite 4A measurements from different producer

For inlet air humidity of x=10 g/kg the resulting Tmax is 27K for both, high grade and economic 4A (Tdes= 230°C), Released heat is 7.8 kWh (510kJ/kg) for high grade and 5.5kWh (360kJ/kg) for economic 4A( Batch size 55 kg)

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Composite Material mit natürlichem Klinoptilolith und Salz

Cpt– 7.5% LiCl , 7.5% MgSO4

Batch weight 68kg, desorption temperature 90°C, water uptake approx. 5kg Released heat is 3,5 kWh (185 kJ/kg) for composite Material

grain size 0.3-0.5mm,


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Zeolithe sind sehr stabil und haben hohe Adsorptions-Enthalpie

Noch besser wären aber Salze bzw. Salz-Composite

Weil:

• Höhere Adsorptions-Enthalpie

• Geringerer Produktionsaufwand (Primärenergie)

• Preiswerter

Aber:

• geringere Stabilität

• aufwendiger in der Prozesstechnik

Materialentwicklung-Composite

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Material:

• Clinoptilolite (natural zeolite)

Properties:

• For waste heat recovery between 150 – 250°C

• Cheap raw materials

Research focus:

• Increase in reaction enthalpy

• Increase in mechanical strength

Material:

• Magnesiumoxide (MgO)

• Calciumoxide (CaO)

Properties:

• For waste heat reovery >350°C

• High theoretical reaction enthalpy

• Non-toxic, environmental compatible

• Recycling

Research focus:

• Increase in chemical kinetics/reactivity

• Increase in cycle stability

Material development

Thermo chemical storage material (IET Vienna) Sorption material storage (ASiC)

Tes4seT- Linie D WP2-Materials selection and modification


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Material development for low-temperature

application

Increase in reaction enthalpy:

Due to the development of composit materials

(natural clinoptilolite grains impregnated with salts)

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Vap

ourad

sorp

on[%(w/w

)]

Time[min]CompS1,Al-sulfate CompS2,LiCl+Al-sulfate CompS3,CaCl2+LiCl

CompS4,K-Al-sulfate CompS5,Na-sulfate+Mg-sulfate CompS6,Li-sulfate+Mg-sulfate

CompS7,Li-sulfate+Al-sulfate CompS8,LiCl+Mg-sulfate Klinonatur,1-2,5mm

Flow-TCSLiCl+MgSO4

Fig. : Clinoptilolite with + Al2(SO4)3

Fig. : Vapour adsorption of different composite materials

Research on:

• Different salts

• Different binder materials

• Agglomeration methods

• Chemical treatments

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Fig. : Fluidized bed agglomeration (AMMAG) and

produced material

• agglomeration studies to increase sorption capacity and mechanical strength

Fig. : Fracture strength and sorption capacity of tested materials

Improvement of the material properties with

agglomeration methods:


application


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Fig. : Disc agglomeration (ARP) and produced

material

Improvement of the material properties with agglomeration methods:

• Possibility to use different binders and compare salt impregnation methods

• Cheaper production costs

Fig. : Sorption capacity of tested materials


application

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Welche Quelle für Verdunstungsenthalpie für die Adsorption ist zugänglich:

Sommer:

Desorptionswärme für Speichermaterial (T=150-200°C) (Druck-Temperatur)

Heißluft, Infrarot, Mikrowelle

Winter:

Verdunstungswärme für Adsorption (T=15-25°C)

> Umgebungswärme (Luft)

> Bodenwärme (Sole, 5-10°C)

> Solar(-Niedertemperatur)wärme (Luft oder Glykolgemisch)

Enthalpie-Bereitstellung (v.a.im Winter)

PV eher nicht (weil

Schnee oder geringe

Einstrahlung)


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Luftkollektor- Gemessene Enthalpie Dez 2015- Mar2016

Sollbereich

http://www.google.at/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiV0eLS1YnPAhXEbxQKHeruDS0QjRwIBw&url=http://www.solaranlage-ratgeber.de/photovoltaik/photovoltaik-wartung/photovoltaik-reinigung&psig=AFQjCNEFrmoYgA8MbGcVhxRSQacW1cxQug&ust=1473764192036087

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Mastertitelformat bearbeiten Weiterentwicklung des Kollektors August 2016- Studentenarbeit/Praktikum

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• Gebäudeintegration: Herausforderung!

• Umweltfreundlichkeit: Gut

• Lebensdauer & Zyklenfestigkeit: Herausforderung!

• Komplexität und Wartungsaufwand: Hoch

Betriebsverhalten

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OFFSORE- Konzept


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Danke für die Aufmerksamkeit!

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