Offene Feststoff-Sorptions- Wärmespeicher für Raumheizung

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Falko Schmitz
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Bernhard Zettl FH- Wels /Team ASIC Offene Feststoff-Sorptions- Wärmespeicher für Raumheizung WKO- Speichertagung 14.9.

1 Bernhard Zettl FH- Wels /Team ASIC Offene Feststoff-Sorptions- Wärmespeicher für Raumheizung WKO- Speichertagung Mastertitelformat ASIC-Projekte zum bearbeiten Thema Sorptionsspeicher: Flow > Zweite TCS: Verlustfreie Ebene Solarspeicher mittels thermochemischer granular-flow Materialien, , kooperative Forschung, (FFG# , Leitung ASIC) DualDesorption - Thermisch und elektrisch getriebene Desorption von thermochemischen Wärmespeichermaterialien für solare Langzeitspeicher; e!mission.at 4. Ausschreibung, Sondierung, ; FFG # 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# SEITE 2 1

Bindung - auch irreversible) 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

2 Festkörper-Sorption mit Wasser Zeolithe, Silica, etc. Salz-Hydrate [ChemgaPedia, 2014] [MaddChemie, 2016] Adsorption: Anlagerung an der Oberfläche eines festen Stoffes: Physi-Sorption (ohne Bindung), Chemi-Soption (mit Dissoziation oder chem. Bindung - auch irreversible) 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 SEITE 3 4 Fragen zur Anwendung: 1. Leistung Mastertextformat & Adsorption: Welche Wärmeleistung kann bei einer bearbeiten gegeben (oder geforderten) Temperatur erbracht werden? Temperatur Desorption: Welche Temperatur ist für die Desorption Eignung der Technologie nötig? 2. Energie/Materialkosten Machbarkeit Wieviel Wärmemenge kann genutzt werden, wie groß muss der Speicher (und die Investition) sein? 3. Enthalpie-Bereitstellung im Winter (& im Sommer) Technische Komplexität 4. Betriebsverhalten Kundenakzeptanz 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 5 2

3 Leistung/Temperatur Beispiel: TES4SET-C Prozessluftentfeuchtung Welche Wärmeleistung kann maximal bei einer gegeben (oder geforderten) Temperatur erbracht werden? Bsp. NaY Zeolith (ca. 4kg), Ofentrocknung 130 C, 18h 6 Leistung/Temperatur Adsorption FLOW-TCS (für Gebäudeanwendungen) Welche Wärmeleistung kann bei einer gegeben (oder geforderten) Temperatur erbracht werden? T=35-60 C, P therm. =4-5kW, Dauerbetrieb 7 3

4 Revolving heat drum adsorber - FlowTCS 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 Outlet Inlet 8 Temperaturkurven 70kg Zeolith 4A (ca. 2% Feuchte), Luftstrom 140 m³/h, x ein =16 g/kg Erwärmung Dritte Konstant - Ebene Phase Abkühlung T= T aus -T ein 9 4

border: tap water supply 10 Desorptions-Temperaturen- Zeolith

5 Höhere Austritts-Temperaturen (z.b. für Warmwasser) wenn Eintrittstemperatur erhöht wird system border: tap water supply 10 Desorptions-Temperaturen- Zeolith 4A [CWK-product folder] 5% Materialfeuchte bei 180 C und 15 mbar Wasserdampf(-partial)druck 11 5

6 Heißluft Desorption Kollektor- Sommerbetrieb 2015 T-aus >160 C im Aug bei ca. 600 W/m² (Abs.) 12 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 13 6

Material desorption-study Clinoptilolite + 7.5wt% CaCl Mastertextformat 2 + 7.

für Durchlaufofen Two multi-mode microwave caverns, separately controlled Continuous treatment of material determined by feeding rate, magnetron

7 Material desorption-study Clinoptilolite + 7.5wt% CaCl Mastertextformat wt% LiCl bearbeiten Clinoptilolite + 7,5% MgSO 4 + 7,5% MgCl 2 salt type and water content is influencing adsorption 14 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 15 7

Microwave furnace development 16 Process related

development inside the microwave cavern Elect.

Feed rate: 2-5 kg/h Material bed: 26 cm width 0.

8 Microwave furnace development 16 Process related results Typical data of microwave dryer Temperature development inside the microwave cavern Elect. > power: Zweite Ebene 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 Geringe Wirkung der Luftvorheizung, Gesamt-Effizienz für den Bandtrockner zu gering 17 8

Mastertitelformat Energie/Materialkosten bearbeiten Welche Mastertextformat Wärmemenge bearbeiten kann genutzt werden, wie groß muss der Speicher (die Investition) > Zweite sein?

9 Mastertitelformat Energie/Materialkosten bearbeiten Welche Mastertextformat Wärmemenge bearbeiten kann genutzt werden, wie groß muss der Speicher (die Investition) > Zweite sein? Ebene 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 plus Strombedarf ca. 500 /a (ca. 25% des Wärmebedarf), Kosten in 30 Jahren: Zeolite 4A measurements from different producer High grade 4A versus economical zeolite 4A For inlet air humidity of x=10 g/kg the resulting T max is 27K for both, high grade and economic 4A (T des = 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) 19 9

Composite Material mit natürlichem Klinoptilolith und Salz Mastertitelformat Cpt 7.5% LiCl, 7.5% MgSO 4 bearbeiten grain size 0.3-0.

5kg Released heat is 3,5 kwh (185 kj/kg) for composite Material 20 Mastertitelformat Materialentwicklung-Composite bearbeiten Zeolithe Mastertextformat sind

10 Composite Material mit natürlichem Klinoptilolith und Salz Mastertitelformat Cpt 7.5% LiCl, 7.5% MgSO 4 bearbeiten grain size mm, Batch weight 68kg, desorption temperature 90 C, water uptake approx. 5kg Released heat is 3,5 kwh (185 kj/kg) for composite Material 20 Mastertitelformat Materialentwicklung-Composite bearbeiten Zeolithe Mastertextformat sind sehr stabil bearbeiten 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 21 10

heat recovery between 150 250 C Cheap raw materials Research focus: Increase in reaction enthalpy Increase in mechanical strength Thermo chemical storage material (IET Vienna) Material:

kinetics/reactivity Increase in cycle stability 22 Material development for low-temperature application Research on: Different salts Different Mastertextformat binder materials bearbeiten

11 Vapour adsorp on [% (w/w)] Tes4seT- Linie D WP2-Materials selection and modification Material development Sorption material storage (ASiC) Material: Clinoptilolite > (natural Vierte zeolite) Ebene Properties: For waste heat recovery between C Cheap raw materials Research focus: Increase in reaction enthalpy Increase in mechanical strength Thermo chemical storage material (IET Vienna) 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 22 Material development for low-temperature application Research on: Different salts Different Mastertextformat binder materials bearbeiten Agglomeration > Zweite methods Ebene Chemical treatments Increase in reaction enthalpy: Due to the development of composit materials (natural clinoptilolite grains impregnated with salts) 25,0% 20,0% 15,0% 10,0% 5,0% 0,0% 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 Klino natur, 1-2,5 mm Flow-TCS LiCl+MgSO4 Fig. : Vapour adsorption of different composite materials Fig. : Clinoptilolite with + Al 2 (SO 4 )

Material development for low-temperature application

Mastertextformat methods: bearbeiten agglomeration > Zweite

25 methods: Possibility > Zweite to use Ebene different

12 Material development for low-temperature application Improvement of the material properties with agglomeration Mastertextformat methods: bearbeiten agglomeration > Zweite studies Ebene to increase sorption capacity and mechanical Dritte strength Ebene Fig. : Fracture strength and sorption capacity of tested materials Fig. : Fluidized bed agglomeration (AMMAG) and produced material 25 Material development for low-temperature application Improvement of the material properties with agglomeration methods: Possibility > Zweite to use Ebene different binders and compare salt impregnation methods Cheaper production costs Fig. : Sorption capacity of tested materials Fig. : Disc agglomeration (ARP) and produced material 26 12

im Winter) Welche Quelle für Verdunstungsenthalpie für die Adsorption ist zugänglich: Sommer: Desorptionswärme Mastertextformat für

13 Enthalpie-Bereitstellung (v.a.im Winter) Welche Quelle für Verdunstungsenthalpie für die Adsorption ist zugänglich: Sommer: Desorptionswärme Mastertextformat für bearbeiten Speichermaterial (T= C) (Druck-Temperatur) Heißluft, > Zweite Infrarot, Ebene Mikrowelle Winter: Verdunstungswärme für Adsorption (T=15-25 C) > Umgebungswärme (Luft) > Bodenwärme (Sole, 5-10 C) > Solar(-Niedertemperatur)wärme (Luft oder Glykolgemisch) PV eher nicht (weil Schnee oder geringe Einstrahlung) 27 Luftkollektor- Gemessene Enthalpie Dez Mar2016 Sollbereich 28 13

Weiterentwicklung des Kollektors August 2016-

bearbeiten Gebäudeintegration: Herausforderung!

14 Weiterentwicklung des Kollektors August Studentenarbeit/Praktikum 29 Mastertitelformat Betriebsverhalten bearbeiten Gebäudeintegration: Herausforderung! Umweltfreundlichkeit: Gut Lebensdauer & Zyklenfestigkeit: Herausforderung! Komplexität und Wartungsaufwand: Hoch 30 14

15 OFFSORE- Konzept 31 Danke für die Aufmerksamkeit! 32 15

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