Thermische Speicher Grundsätzliche Untersuchungen zum Einsatz von PCM für solarthermische Anwendungen

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1 Eidgenössisches Departement fürumwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE Schlussbericht 30. April 2010 Thermische Speicher Grundsätzliche Untersuchungen zum Einsatz von PCM für solarthermische Anwendungen

2 Auftraggeber: Bundesamt für Energie BFE Forschungsprogramm Solarwärme CH-3003 Bern Auftragnehmer: Institut für Solartechnik SPF Hochschule für Technik HSR Oberseestr. 10 CH-8640 Rapperswil Autoren: Paul Gantenbein, Institut für Solartechnik SPF, Elimar Frank, Institut für Solartechnik SPF, BFE-Bereichsleiter: Andreas Eckmanns BFE-Programmleiter: Jean-Christophe Hadorn BFE-Vertrags- und Projektnummer: / Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich der Autor dieses Berichts verantwortlich. 2/10

3 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... 3 Abstract Einleitung Grundformen der PCM Elemente Temperaturbereich Integration in eine Solaranlage Modellierung Strömung und Wärmetransport (Meso Scale Modelling) Wärmekapazitäts- & Enthalpie-Methode in der Modellierung Thermische Energiedichte Wasserspeicher als Referenz Energie der Phasenänderung verschiedener PCM Schlussfolgerungen und Ausblick Referenzen /10

4 Abstract Der thermische Energiebedarf hat oft keine zeitliche Übereinstimmung mit dem Angebot an Solarenergie. Daher ist die Speicherung notwendig und mit einer Energiedicht grösser als jene von Wasser würde der Raumbedarf reduziert. Phasenänderungsmaterialien (PCM) und geeigneten Chemikalien erfüllen diese Forderung in eingeschränkten Temperaturbereichen, da Wasser zum Vergleich im Temperaturbereich von T=0 C bis 100 C sehr gute thermodynamische und aber auch sicherheitsrelevante Eigenschaften aufweist. Ist die Temperatur T sl der Phasenänderung dem Niveau der Nutztemperatur T Nutz angepasst und ist die Phasenänderungsenergie h f ein Vielfaches der spezifischen Wärme c p (T), dann sind PCM dem Wasser in einem Temperaturbereich von rund T~10 C um die Phasenänderungs-Temperatur T sl herum überlegen. In der Klimatisierung von Arbeitsräumen oder als Wärmequelle zum Betrieb von Wärmepumpen können daher Speicher mit Phasenänderungsmaterialien effizient eingesetzt werden. Teile der Ergebnisse aus den Arbeiten wurden in einer Arbeitsgruppe der IEA SHC Task 42 präsentiert. 4/10

5 1. Einleitung Speicher für Solarthermie sind zentral und seit einiger Zeit wird über den Einsatz von Phasenänderungsmaterialien (PCM) diskutiert. Der Einsatz von PCM wurde auch im Rahmen des Task 32 der IEA SHC untersucht [1]. In dem Zusammenhang sind in diesem Bericht grundlegende Ansätze und Einschränkungen etc. dargestellt. Dazu wurden zunächst die Grundformen der PCM-Elemente zusammengestellt und die Einbindbarkeit von PCM in thermische Solaranlagenkonzepte auf dem Hintergrund unterschiedlicher Temperaturbereiche untersucht Grundformen der PCM Elemente Phasenänderungsmaterialien werden z. T. aus hygienischen aber auch energietechnischen Gründen gekapselt. Je nach Anforderung an den Speicher, in welchem PCM eingesetzt werden, kann daraus für die Gestaltung des Wärmeübertragers eine entsprechende geometrische Grundform abgeleitet werden. In Fig. 1 sind die Grundformen Zylinder, Quader, Kugel und daraus abgewandelte Formen dargestellt [2]. Fig. 1: Geometrische Grundformen in der Anwendung von gekapselten PCM. Zylinderform mit PCM innen a) und Zylinderform mit PCM aussen b), Kugelform c), Platten- bzw. Quaderform d), Tropfenform e) für bessere Raumnutzung. Je nach Anforderung an den Speicher ist die Wahl so zu treffen, dass eine energetisch optimale und kostengünstige Komponente resultiert Temperaturbereich Integration in eine Solaranlage Thermische Solarenergiespeicher erfüllen ihre Anforderungen bei guter Temperaturschichtung. Vorteilhaft sind dafür eher schlanke und hohe Bauformen des fluidführenden Behälters und eine optimale Position der Rohrleitungsanschlüsse für die Einspeisung der Solarwärme. Tiefe Rücklauftemperaturen zum Kollektorfeld erhöhen den Solarertrag. Demzufolge wirkt ein PCM-Speicher im tiefen Temperaturbereich (z.b.: T = 10 C bis T = 30 C) ertragssteigernd, wenn die Phasenänderung entsprechend in diesem Temperaturbereich eingestellt wird. In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung von (Nutz-) Temperaturbereichen aus Solaranlagen und der Position eines Wasser- (Tank 1) sowie eines PCM-Speichers (Tank 2) dargestellt. Die zwei in der Grafik übereinander gezeichneten Speicher entsprechen einer möglichen Temperaturschichtung des Nutzwassers. 5/10

6 Der im vorgeschlagenen Temperaturbereich von T = 10 C bis 30 C eingesetzte PCM/Wasser Speicher dient als Wärmequelle für eine Wärmepumpe und führt so einem höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe selbst und des thermischen Solarkollektors. Der Wirkungsgrad des gesamten Systems lässt sich damit erhöhen. Da der Wärmeverlust (Wärmegewinn) aus den Speichern direkt proportional mit der Temperaturdifferenz von Speichertemperatur zu Umgebungstemperatur ( T = T Speicher T amb ) verläuft, werden diese aus dem Speicher Tank 1 reduziert. Fig. 2: Darstellung von Temperaturbereich der Nutztemperaturen und Verwendung von PCM als Speichermaterialien zur Steigerung der thermischen Energiedichte. Die zwei Speicher (rechts) werden bei unterschiedlichen Temperaturniveaus (T(Tank 1 ) > T(Tank 2 )) betrieben und die Darstellung in der Grafik soll eine Temperaturschichtung andeuten. 2. Modellierung 2.1. Strömung und Wärmetransport (Meso Scale Modelling) In der Dimensionierung von PCM-Speichern ist das dynamische Verhalten massgebend bezüglich dem Verhältnis von Volumen V zu Oberfläche O, da der Wärmetransport nur über die Grenz- und Oberflächen geschehen kann. Bei der Untersuchung des Wärmetransports helfen Strömungsuntersuchungen an physikalischen Modellen, die Zahl der Experimente zu reduzieren. Dazu wurde eine vereinfachte Anordnung von gekapseltem PCM und Wärmeträgerfluid, welches das PCM-Element umgibt, aufgebaut. Fig. 3 zeigt ein stationäres 2D-Strömungsprofil von Wasser um ein tropfenförmiges PCM-Element. Das Modell wird derzeit weiter ausgebaut, um zu untersuchen, wie die Wärmeübertragung die Leistung des Elementes beeinflusst. 6/10

7 Meso Scale Modelling D=40 mm PCM Fig. 3: Stationäres Strömungsprofil für Wasser um ein gekapseltes PCM-Element bei vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit v. Im Bild sind Stromlinen (v) und Isobarenlinen (p) dargestellt. Die Art der Strömung hat einen Einfluss auf den Wärmetransport aus dem - oder in das PCM-Element und bestimmt nebst anderen Parametern die thermische Leistung des Speicherelements bzw. - systems. Flow direction Flow Velocity v 2.8E E E E+04 Cp(m, dt = 7 C) [J/kg*K] Cp(s, dt = 7 C) [J/kg*K] Cp(T, water) [J/kg*K] Cp(m, dt = 2 C) [J/kg*K] 1.4E E E E+05 effective heat capacity c p (m, s; T=7 C) [J/kg*K] 2.0E E E E E E E E E E+03 T start Cp(s, dt = 2 C) [J/kg*K] T end T 1 T 2 1.0E E E E E E E E E E+04 effective heat capacity c p (m, s; T=2 C) [J/kg*K] 0.0E E temperature T [ C] Fig. 4: Spezifische Wärmekapazität c p (T) nach der Methode der effektiven spezifischen Wärmekapazität c p,eff (T), wie sie z.b. in den Berechnungen eingesetzt wird. Im Diagramm der Grafik ist ein PCM mit T=2 C und T=7 C um die Phasenänderung T sl = 25 C dargestellt [4]. 7/10

8 2.2. Wärmekapazitäts- & Enthalpie-Methode in der Modellierung In Fig. 4 sind Differential Scanning Calorimetry (DSC) Daten aus der Literatur zusammengestellt, welche für ein Paraffin mit einer Phasenänderungstemperatur von T sl = 25 C ermittelt wurden [4]. Die Messkurven sind mit Polynomen approximiert und in Form der sogenannten effektiven spezifischen Wärmekapazität c p, eff (T) dargestellt. Diese Daten dienen als Eingabewerte zu Simulationen. Die thermische Kapazität Q eines PCM mit der Masse m im Bereich der Phasenänderung T sl entspricht der Summe der beiden Integrale in der Klammer des Ausdruck (1) über die Temperaturbereiche T=T 2 T 1 und T start bis T end, s. Fig. 4: (1) Der Temperaturbereich T~10 C ist entsprechend um die Temperatur der Phasenänderung T sl festzulegen. 3. Thermische Energiedichte 3.1. Wasserspeicher als Referenz Im Temperaturbereich des unter Normalbedingungen flüssigen Wassers ist dieses als Referenz zu PCM-Speichermaterialen heranzuziehen (insbesondere dort, wo im Endverbrach Wasser genutzt wird). Hier sei auf die thermischen Saisonspeicher im Einfamilienhausbau mit einem Wassertank-Volumen in Bereich von V = 25m 3 bis V = 30m 3 verwiesen. In Fig. 5 sind die Speicherdichten Q von Wasser [5] und zwei PCM pro m 3 eingezeichnet. Übersteigt die Temperaturdifferenz T 45 C [PCM (18 C)] bzw. 55 C [PCM (25 C)] so ist Wasser als Speichermedium vor zu ziehen Water PCM (18 C) PCM (25 C) energy density Q [kwh/m 3 ] temperature difference T [ C] Fig. 5: Thermische Energiedichte Q (sensibel) von V=1m 3 Wasser mittlerer thermischer Kapazität: ρ(t)*c p (T)=950*4.18 [(kg/m 3 )(kj/kg*k)] in Funktion der Temperaturdifferenz T. Zum Vergleich sind in die Grafik integriert die Kurven der Energiedichte von zwei unterschiedlichen PCM mit einer Phasenänderung bei 18 C bzw. bei 25 C. Die Stufe in den PCM-Kurven entsteht durch frei werdende latente Wärme die Phasenänderungswärme. 8/10

9 In Tabelle 1 ist in ein Zahlen-Vergleich der Speicherdichten von Wasser und einem Latentwärmespeicher mit technischem Paraffin PCM für eine Temperauränderung von ΔT = 80 C und ΔT = 10 C bei der Paraffin Phasenumwandlung fest-flüssig T(s - l) = 25 C aufgeführt. Tabelle 1: Energiedichte von Wasser und Parafin bei einer Temperaturdifferenz von ΔT=80 C und ΔT=10 C. Speicherdicht Q [kwh/m 3 ] ΔT [K] Wasser PCM (bei 25 C) Für einen grossen Temperarturbereich von ΔT = 80 C ist der Wasserspeicher dem Paraffin- Speicher überlegen. Ist aber ein Einsatz des Paraffin-Speichers bei einem Temperaturniveau am Phasenumwandlungspunkt möglich und ist der Temperaturbereich auf z.b. ΔT = 10 C beschränkt, dann unterliegt der Wasserspeicher bezüglich der Speicherdichte. Wie bei jeder anwendungsorientierten Entwicklung ist auch hier dieser theoretischen Überlegung eine experimentelle Verifikation anzuschliessen, zumal das PCM eingekapselt sein muss und bei einer kugelförmigen Einkapselung nur rund 60% des Volumens mit PCM gefüllt sein kann Energie der Phasenänderung verschiedener PCM Je nach Nutz- bzw. Anwendungstemperatur eignet sich das Phasenänderungsmaterial mit entsprechender Phasenänderungstemperatur T sl. In Tabelle 2 sind die wichtigsten physikalischen Grössen, wie Schmelztemperatur T l und Verfestigungstemperatur T s, Dichte ρ(t) sowie Phasenänderungsenergie h f einiger Stoffe zusammengestellt [6, 7]. Aus der Spalte mit den Angaben zu h f ist ersichtlich, dass Wasser bzw. Eis sich als Latentwärmespeicher eignen kann, wenn die Nutztemperatur von 0 C ausreichend ist. Tabelle 2: PCM und ihre physikalischen Daten. Daten zu PCM Paraffine siehe [6, 7]. Melting Point T l Solidification Point T s Latent Heat of Melting h f Density ρ(t) Remarks PCM Materials [ C] [ C] [kj/kg] [kg/l] [-] Water/Ice (0 C) Glauber Salt (Na2SO4*10H2O) Sodium Acetat (CH3COONa*3H2O) PCM - Paraffine RUBITHERM RT (liquid / 15 C) RUBITHERM RT (liquid / 15 C) RUBITHERM RT (-15 C) RUBITHERM RT (20 C) RUBITHERM RT (15 C) RUBITHERM RT (15 C) RUBITHERM RT (15 C) RUBITHERM RT (15 C) RUBITHERM RT (15 C) RUBITHERM RT (15 C) 4. Schlussfolgerungen und Ausblick Speicherung thermischer Energie ist insbesondere im Zusammenhang mit solarthermischen Systemen unerlässlich und beeinflusst die Wirtschaftlichkeit eines Systemkonzeptes entscheidend. Entsprechend ist dieser Technik eine sehr hohe Bedeutung auch im Forschungsbereich beizumessen [8]. Wie beschrieben, ist eine hohe Energiedichte anzustreben, wenn hohe solare Deckungsgrade bzw. ein geringer Platzbedarf des Wärmespeichers erreicht werden sollen. PCM können gegenüber Wasser in 9/10

10 eingeschränkten Temperaturbereichen einen Vorteil bieten, der apparative Aufwand ist jedoch meist höher (vgl. [8]. Daher ist ein hoher Energieumsatz bzw. eine lange Lebensdauer wichtig, um angesichts vergleichsweise hoher Investitionskosten für PCM die Wärmegestehungskosten des Systems mit PCM zu verringern. Der Einsatz von Tieftemperatur PCM Speichern wird in der Solar-Branche vermehrt diskutiert und untersucht. Die Forschungsaktivitäten des SPF zielen daher in Richtung einer optimalen Anpassung des auf dem Markt erhältlichen Phasenänderungsmaterials an seine Aufgabe sowie der Auslegung des in das PCM eingetauchten Wärmeübertragers. Unsere Zusammenarbeit und der Erfahrungsaustausch in der IEA Task / ECES Annex 4224 Working Group (IEA SHC Task 42 & IEA ECES Annex 24; Compact Thermal Energy Storage: Material Development and System Integration) umfasst Präsentationen zu den geleisteten Arbeiten und Mithilfe in der Koordination und Ausarbeitung der Berichte der Untergruppe WGA3 - Numerical Modelling. 5. Referenzen [1] W. Streicher et al IEA SHC Task 32 - Report C7 of Subtask C. [2] Harald Mehling, Luisa F. Cabeza. Heat and cold storage with PCM: An up to date introduction into basics and applications. Springer Verlag, [3] M. Safarik. Solare Klimakälteerzeugung - Technologie, Erprobung und Simulation. Dissertation, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, [4] P. Lamberg et al.. Numerical and experimental investigation of melting and freezing processes in phase change material storage. International Journal of Thermal Sciences 43 (2004) [5] VDI-Wärmeatlas (1997). Recherchieren Berechnen Konstruieren. Herausgeber: Verein Deutscher Ingenieure, Springer Verlag Berlin Heidelberg. [6] Advanced Thermal Energy Storage through Phase Change Material and Chemical Reactions Feasibility Studies and Demonstration Projects. IEA ECES Annex 17, [7] [8] Dagmar Oertel. Energie Speicher Stand und Perspektiven. Sachstandsbericht zum Monitoring Nachhaltige Energieversorgung, Arbeitsbericht Nr Büro für Technologiefolgen-Abschätzung beim Bundestag (D), /10