Wärmespeicherung und neueste Entwicklungen

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Franka Günther
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1 Wärmespeicherung und neueste Entwicklungen W. Streicher, Institut für Wärmtechnik TU Graz 1

2 Wozu Wärmespeicherung, wozu neue Technologien Platzbedarf und damit Kosten für umbauten Raum Akzeptanz durch die Benutzer 205 m³ 75 m³ 2

3 Ener gy densit y [MJ/m 3] LaNiH Ice Et t ingit e Phase Change Na2HPO4H2O water Sorption Na2SO4H CaCl2H2O co ncrete Silaca gel N Zeolit e cast iron 10 2 Paraf in Tem perat ure [Deg C] oil NH3/w ater Chemical Heat sorp Na2S Si-eart h MgH2 CaCO2 MgCO3 Pb ethano l dry wood Zn Ca(OH)2 NiCa bat t er y f lyw heels Möglichkeiten der Wärmespeicherung Speicherung und Festkörpern (z.b. Betondecke) Wasserspeicher Phasenwechselmaterialien (Latentspeicher) Chemische und Sorptionsspeicher 3

Festkörper Wärmespeicher Temperatur in C 24 23 22 21 20 19 18 17 h 3 h 19 h 21 h 23 h 1 h 13

Wärmekapazität, 0,5 kwh/m³k Hohe Dichte, 1000 kg/m3 Beliebig vorhanden, billig, ungiftig etc.

4 Festkörper Wärmespeicher Temperatur in C h 3 h 19 h 21 h 23 h 1 h 13 h 11 h 15 h 9 h 7 h 5 h -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Wanddicke in m Geringe volumetrische Wärmekapazität, 0,5 kwh/m³k Hohe Dichte, 1000 kg/m3 Beliebig vorhanden, billig, ungiftig etc. Nur als Wärmespeicher nutzbar, kein Wärmetransport Phasenwechselmaterialien in Festspeicher möglich 4

5 Festkörper Wärmespeicher mit PCM Mikroverkapselte Paraffine in Putzen 1 cm Putz kann Effekt wie 10 cm Beton haben Anwendungen im Leichtbau (Fertigteil-Holzständer, Dachbodenausbau) Speichermasse nur nutzbar wenn Phasenwechselpunkt überschritten Relativ teuer 5

6 Festkörper Wärmespeicher mit PCM Operative room temperature [ C] cm gypsum plaster 1.5 cm PCM plaster Hour of year 6

7 Wasserspeicher Wärmekapazität, 1,16 kwh/m³k Hohe Dichte, 1000 kg/m3 Beliebig vorhanden, billig, ungiftig etc. Als Wärmespeicher und Wärmetransportmedium nutzbar 7

8 Wasserspeicher (Schichtenspeicherung) Solar inlet Space heat return 8

9 Wasserspeicher (Schichtenspeicherung) Gewebeschlauch (DTU, Dänemark) Eintritt in allen Höhen Generelles zur Schichtladung: Bei hohen Delta T in der Anwendung Be geringer Umwärlzung des Seichers 9

10 Wasserspeicher Dämmung Quelle: ITW Stuttgart 10

anpassbar Einbringung in Teilen große Speicher

11 Wasserspeicher Neue Form Folienspeicher, Modulare Dämmung Flexibel an Raumverfügbarkeit anpassbar Einbringung in Teilen große Speicher durch kleine Kellertür Quelle: FA FLEXSAVE, Kassel 11

besser als Wasser im sensiblen Bereich Paraffine sind ungünstiger aber

12 Speicher mit Phasenwechselmaterialien (PCM) Hohe Wärmekapazität um den Phasenwechselpunkt Die besten Materialien (Salzhydrate) sind gleich oder etwas besser als Wasser im sensiblen Bereich Paraffine sind ungünstiger aber unproblematisch Nur als Wärmespeicher und nicht als Wärmetransportmedium nutzbar (ausnahme Slurry) 12

13 Klassifizierung von PCM Materialien Materials Sensible heat Latent heat Chemical energy gas - liquid solid-liquid solid - gas solid - solid organics inorganics Eutectics Single temperature Mixtures Temperature interval Eutectics Single temperature Mixtures Temperature interval Paraffins (alkanes mixtures) Fatty acids Hydrated salts Commercial grade Analytical grade A. Abhat, Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials, Solar Energy 30 (1983),

14 Institut für f r Wärmetechnik W Speicherdichte verschiedener Phasenwechselmaterialen im Vergleich zu Wasser Je Masseneinheit Je Volumeneinheit temperature [ C] 14 enthalpy [kj/kg] sodium acetate trihydrate + graphite sodium acetate trihydrate 600 enthalpy [kj/dm³] 400 sodium acetate trihydrate paraffin paraffin sodium acetate trihydrate + graphite 200 water water temperature [ C]

Charakteristik von PCM Materialien outlet PCM ist nicht der

(tritt hauptsächlich bei hydrierten Salzen auf) Phasenentmischung

300 inlet Phasenwechsel in einem Temperaturbereich (hauptsächlich

15 Charakteristik von PCM Materialien outlet PCM ist nicht der Wärmeträger zum Verbraucher (außer PCM slurries) tank Unterkühlung (tritt hauptsächlich bei hydrierten Salzen auf) Phasenentmischung (tritt hauptsächlich bei hydrierten Salzen auf) enthalpy [kj/kg] inlet Phasenwechsel in einem Temperaturbereich (hauptsächlich bei Paraffinien technischer Reinheit) temperature [ C] 15

16 Charakteristik von PCM Materialen Wärmeübergang (Thermische Leistung) Problem: geringe Wärmeleitfähigkeit der PCM im festen Zustand => Graphit-Matrix oder andere Wärmeleitungsverbesserer in PCM Wenn die PCMs in Behältern sind kommt zusätzlich der Wärmeübergang von Behälter zu Wasser und PCM dazu => kleine Behälter mit großer Oberfläche oder Slurries 16

17 Was ist ein PCM-Slurry? Microverkapseltes Paraffin vermischt mit Wasser Pumpbares Fluid 17

modules water temperature sensors tank Speicher für mikroverkapselte PCM

18 Speicher mit Phasenwechselmaterialien (PCM) Test und Simulation verschiedener PCM-Optionen Institut für Wärmtechnik Task 32 Storage PCM modules water temperature sensors tank Speicher für mikroverkapselte PCM emiulsion PCM Speicher mit zylindrischenmodulen PCM Speicher mit eingehängten Wärmetauscher 18

19 PCM Speichermodellierung Task 32 Storage h PCM,kj PCM,kj TRNSYS Types von PCM,kj HEIG-VD, IWT TU Graz, DTU enthalpy [kj/kg] heating cooling ΔT sc fins nodes Massenstrom mass flow [kg/h] mass Massenstrom flow inlet Vorlauftemperatur temperature Vorlauf-Temperatur inlet temperature [ C]. Tinlet = 70[ C] V& =100 bzw. 200 [ l / h] ΔT hyst Δh m temperature [ C] serial tubes temperature Temperatur [ C]. Leistung power [kw] Twater (exp) Tpcmsurface (exp) Tpcmcenter (exp) Twater (sim) Tpcmsurface (sim) Tpcmcenter (sim) Psim Pexp 0 Tinlet = 30[ C] V& =100 bzw. 200 [ l / h] Collector loop TBOTDHW TINLET SFLOW TSF1 Control h 1,ch h 2,ch h i,ch h N,ch T 1 S 1 T 2 S 2 T i S i T N S N h 1,dis h 2,dis h i,dis h N,dis CONTPAR SPFLOW TSPOUT T env Load loop time Zeit [min] SFLOW TSFOUT SPFLOW TRETURN 19

20 Task 32 Storage Vergleich eines Speichers mit makroverkapselten PCM für ein solares Kombisystem mit einem Wasserspeicher HEIG-VD, Switzerland 7 Tages Test für eine moderate Winterperiode 20

21 Task 32 Storage Anwendung Reduktion Kesseltakten IWT, TU Graz Pellets Kessel: Anzahl der Startups Jahresnutzungsgrad Pellets Pellets , Wasser PCM 0,85 number of cycles efficiency [ ]. 0,80 0,75 0,70 efficiency boiler water efficiency system water efficiency boiler PCM efficiency system PCM 500 0, storage volume [l] 0, storage volume [l] 21

22 Task 32 Storage Nutzung der Unterkühlung für Jahresspeicherung (DTU, Dänemark) Heat storage capacity of sodium acetate compared to water 800 Stored energy [kj/litre] 700 Sodium acetate Supercooling 400 Water 300 Activation of solidification 200 Melting point = 58 C Temperature [ C] PPCCMM s ttoo t raagge r e mmoodde el ll Building input from external 22

23 Task 32 Storage Nutzung der Unterkühlung für Jahresspeicherung (DTU, Denmark) 100 % solarer Deckungsgrad mit PCM Speichervolumen von 10 m³ für ein 135 m² Nutzungsfläche Passivhaus (15 kwh/m²a Restheizenergiebedarf). Wasserspeicher müssen viel größer sein um 100% Deckungsgrad zu erreichen % Deckungsgrad können auch mit 10 m³ Wasserspeicher erreicht werden. Hoher technischer Aufwand (viele getrennte Speicher) 23

24 Chemische Speicherung und Sorptionsspeicher Ausnutzung der Bindungsenergie von Wasser an porösen Medien (z.b. SilikaGel) Langzeitspeicher Beim Entladen wird Wasserdampf benötigt (Erzeugung?) Beim Entladen wird der Speicher warm: Es wird Kondensationswärme und (etwas) chemische Bindungsenergie genutzt Zum Austreiben des Wassers im Sommer wird Wärme benötigt. 24

25 Offener Sorptionsspeicher, ITW Stuttgart 25

26 Ergebnisse und derzeitge Probleme bei PCM und Sorptionsspeichern Speicher können nicht unabhängig vom Wärmebedarfssystem bewertet werden Signifikante Unterschiede bei Langzeit- Kurzzeit Wärmespeichern Erhöhung der Speicherkapazität bei PCM/Sorption gegenüber Wasser in den meisten Fällen sehr gering (im Gesamtsystem über das Jahr) Technischer Aufwand und dafür Kosten derzeit zu hoch => Wasser ist derzeit noch wie vor in den meisten Fällen die bessere Wahl => Forschungsbedarf???!! 26

Daher: Joint IEA SHC Task and IEA ECES Annex 4224 Compact Thermal Energy Storage: Material

27 Ausblick IEA SHC 4224 ECES Es besteht die Notwendigkeit Materialien mit besseren Stoffeigenschaften und besser geeignete Systemkonzepte für PCM-Wärmespeicher zu suchen Daher: Joint IEA SHC Task and IEA ECES Annex 4224 Compact Thermal Energy Storage: Material Development for System Integration Leading organisations ECN, NL Wim van Helden ZAE, D Andreas Hauer 27

28 Ausblick IEA SHC 4224 ECES Application Related Activities Material Related Activities Cooling Material Engineering / Processing Test and Characterization Numerical Modelling Apparatus / Components Heating / DHW High Temp. Applications System Integration Cross Cutting Issues Theoretical Limits (Physical/Technical and Economical)

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