Thermische Energiespeicher mit Phasenwechselmaterial

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Hertha Wagner
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1 Thermische Energiespeicher mit Phasenwechselmaterial Gastvortrag am Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Montanuni Leoben von Hermann Schranzhofer von 20

2 Inhalt Einführung und Motivation Thermische Energie Speicher (TES) Phasenwechselmaterialien (PCM) TES mit PCM Saisonspeicher mit Unterkühlung 2 von 20

3 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

4 Thermische Anlagen und Gebäude 4 von 20

5 Thermische Anlagen- und Gebäudesimulation TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation Program) 5 von 20

6 Warum Wärme speichern? Beispiel thermische Solaranlage Zeitliche Entkopplung von Angebot und Nachfrage a) Tag - Nacht b) Sommer - Winter 6 von 20

Thermische Energiespeicher (TES) Warmwasserspeicher a) Temperaturbereich: 0 100 C b) Kurz- bis Mittelzeitspeicher c) Übliche Größen: 100 500 Liter d) Speichermedium Wasser i. Spez.

7 Thermische Energiespeicher (TES) Warmwasserspeicher a) Temperaturbereich: C b) Kurz- bis Mittelzeitspeicher c) Übliche Größen: Liter d) Speichermedium Wasser i. Spez. Wärmekapazität: 4,19 kj/(kg.k) ii. Dichte: 1000 kg/m³ iii. Wärmeleitfähigkeit: 0,56 W/(m.K) iv. Pumpbar v. Ungiftig vi. Billig vii. Verfügbar e) Nachteile a) Geringe Energiedichte b) Hohe Verluste 7 von 20

8 Warum neue Speichertechnologien Platzbedarf und damit Kosten für umbauten Raum Akzeptanz durch die Benutzer Einfamilienhaus Nader (Graz-Ries) 150 m² Wohnfläche l Wasserspeicher 85 m² Kollektorfläche 8 von 20

9 Die Materialfrage 9 von 20

10 Speicherdichte verschiedener Materialien pro Masseeinheit [kj/kg] pro Volumseinheit [kj/dm³] Enthalpie [kj/kg] Enthalpie [kj/dm³] Temperatur [ C] Wasser Paraffin Sodium Acetat Sodium Acetat+Graphit Temperatur [ C] W P S S 10 von 20

11 Vielversprechende Werte 500 water paraffin (Sasol 6805) SA SA+graphite H - H 50 C [kj / liter] H = 396 [kj/liter] H = 229 [kj/liter] H = 183 [kj/liter] H = 84 [kj/liter] -100 T = 20 [ C] temperature [ C] 11 von 20

12 jedoch mit Vorsicht zu genießen! Erhöhung der Speicherdichte gegenüber Wasser [-] 13,0 11,0 9,0 7,0 5,0 3,0 Sodium Acetat Sodium Acetat + Graphit Paraffin 1, Temperaturbereich [ C] 12 von 20

13 Integration von PCMs in Wärmespeicher Versuchsspeicher am IWT Volumen: ~35 Liter 7 Zylindrische PCM Elemente ø 5 cm 13 von 20

14 Integration von PCMs in Wärmespeicher Versuche am IWT mit zylindrischen Modulen, unterschiedliche PCMs Leistung aus Wasser Leistung aus PCM Entladeleistung [kw] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Sodium Acetat Trihydrat + Graphit Starttemperatur Speicher 70 C Sodium Acetat Trihydrat 0,0-0,5 Paraffin Zeit [min] T 50 C m = 100 kg/h 14 von 20

15 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 - Kugeln: 1-dimensionale Wärmeleitung i N PCM UA i m, h, T PCM PCM PCM ik ik ik - Platten: 2-dimensionale Wärmeleitung k 1 k n r Simulation von mehreren Zonen mit unterschiedlichen PCMs h, T i i m i Berücksichtigung der Unterkühlung i 2 Implementiert in TRNSYS 16 i 1 15 von 20

16 Modellierung und Simulation PCM Speichermodell Validierung anhand von Messdaten Abkühlen des Speichers Verlauf der Temperaturen im Speicher layer 4 (bottom) 75 Temperatur temperature [ C] Wasser water: trnsys exp PCM PCM (Oberfläche) (surface): trnsys exp PCM PCM (Mitte) (center): trnsys exp Starttemperatur Speicher 70 C TVL 50 C V 100 l / h Zeit time [min] [min] 16 von 20

17 Massenstrom mass flow [kg/h]. PCM Speicher - Validierung 250 mass Massenstrom flow 200 inlet Vorlauftemperatur temperature Vorlauf-Temperatur inlet temperature [ C]. Tinlet 70 C V 100 bzw. 200 l / h temperature Temperatur [ C]. Leistung power [kw] Twater (exp) Twater (sim) Tpcmsurface (exp) Tpcmsurface (sim) Tpcmcenter (exp) Tpcmcenter (sim) Psim time [min] Pexp Tinlet 30 C V 100 bzw. 200 l / h time Zeit [min] 17 von 20

18 Solarer Deckungsgrad (Wasser vs. PCM) fractional energy savings A_Coll=80 m² 64 m² Saisonspeicher 48 m² 32 m² PCM: Δh=220 kj/kg T m =58 C volume fraction 75 % m² water water & PCM V_store [m³] 18 von 20

19 PCM Speicher mit Unterkühlung Heat storage capacity of sodium acetate tri-hydrate 800 Stored energy [kj/litre ] Supercooling Activation of solidification Sodium acetate Melting point = 58 C Water Temperature [ C] 19 von 20

20 Erster Systementwurf 2 auxillary heaters 105 magnetic valves 26 peltier elements 5 pumps 34 temperature sensors DHW FW 36 m² Kollektorfläche 6 m 3 PCM 24 Module SH 20 von 20

21 Modul der 3. Generation 160 Liter PCM Höhe: 5 cm 21 von 20

22 Entwurf der 4. Generation 22 von 20

23 Modellentwicklung 23 von 20

24 PCM System 2 24 von 20

25 Erste Berechnungen der Speicherdichte 25 von 20

26 Segregation 26 von 20

27 Auslösen der Kristallisation mit Peltier-Element 27 von 20

28 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

29 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 finanziert. Danke für die Einladung Danke für Aufmerksamkeit 29 von 20

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