Nutzung eines unterkühlten Phasenwechselmaterial-Wärmespeichers für saisonale Anwendungen (COMTES Line C)

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1 1 Nutzung eines unterkühlten Phasenwechselmaterial-Wärmespeichers für saisonale Anwendungen (COMTES Line C) Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

2 2 Grundkonzept Aufheizen mit Phasenwechsel Stored Energy Temperature

3 3 Grundkonzept Abkühlen mit Unterkühlung Stored Energy Temperature

4 4 Grundkonzept Aktivierung der Kristallisation Stored Energy Temperature

5 5 Grundkonzept Vergrößern M. Dannemand, W. Kong, J. Fan, J. Berg Johansen, S. Furbo, Laboratory test of a prototype heat storage module based on stable supercooling of sodium acetate trihydrate,. Energy Procedia, 2015 ca. 10 x 5 x 1 cm kg ca. 240 x 120 x 5 cm kg

6 6 EC FP7 Project COMTES Line C Wärmespeicherung mit unterkühltem PCM

7 7 Herausforderungen Materialien (Charakterisierung, Phasentrennung, Korrosion) Stabile Unterkühlung Auslösung der Kristallisation Hohe Leistung bei brauchbaren Temperaturen Regelungsstrategien Systemintegration Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

8 Speichermaterial 8 Sodium Acetate Trihydrate (SAT) CH 3 COONA 3H 2 O Literaturwerte: (G. A. Lane, Solar Heat Storage: Latent Heat Material Volume II) Schmelztemperatur: 58 C Schmelzwärme: 226 kj/kg Spez. Wärmekapazität (fest) 2.79 kj/(kg.k) Dichte flüssig (at 58 C): 1.28 g/cm 3 fest: 1.45 g/cm 3 Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

9 Speichermaterial 9 Wärmekapazität von SAT 800 Stored energy [kj/litre ] Supercooling Activation of solidification Sodium acetate Melting point = 58 C Water Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik Temperature [ C] Schultz J. M., Furbo S., Solar heating systems with heat of fusion storage with 100% solar fraction for solar low energy buildings, Proceedings of ISES world congress 2007 (Vol. I Vol. V), Beijing, China

10 10 Speichermaterial Gemessene Wärmekapazität von SAT Enthalpie [J/kg] % 466mg22-DSC 42% 354mg98-DSC 42% 57mg25-DSC 42 wt% T-History Temperatur [ C]

11 11 Dyn. Viskosität [Ns/m²] Speichermaterial Dynamische Viskosität von SAT 0,050 0,045 0,040 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0, Temperatur [ C] [4] J. Fan, S. Furbo, E. Andersen, Z. Chen, B. Perers, M. Dannemand, Thermal behavior of a heat exchanger module for seasonal heat storage. SHC 2012 Conference Proceedings, San Francisco, USA, [6] S.K. Sharma, C.K. Jotshi, A. Singh (1984). Viscosity of Molten Salt Hydrates. Journal of Chemical and Engineering Data, Vol. 29, No. 3, pp Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik 42% (Sharma [6]) 42% (Fan [4]) 42% (IWT meas.) 44% (IWT meas.) 46% (IWT meas.) 48% (IWT meas.)

12 12 Speichermaterial Dichte von SAT 1450 Dichte [kg/m³] Temperatur [ C] 42% (Furbo [8]) 42% (Fan [6]) 42% (IWT meas.) 44% (IWT meas.) 46% (IWT meas.) 48% (IWT meas.) [8] S. Furbo, S. Svendsen, (1977). Report on heat storage in a solar heating system using salt hydrates. Thermal Insulation Laboratory, Technical University of Denmark, report no. 70. Revised February [6] J. Fan, S. Furbo, E. Andersen, Z. Chen, B. Perers, M. Dannemand, (2012). Thermal behavior of a heat exchanger module for seasonal heat storage. SHC 2012 Conference Proceedings, San Francisco, USA.

13 Speicherdichte 13 Phasentrennung Löslichkeit sinkt bei tiefen Temperaturen 60% Sodium Acetate + 40% H 2 O Inkongruentes Schmelzen - Phasentrennung Lösungsansätze: Anteil des Wassers erhöhen 55% Sodium Acetate + 45% H 2 O Eindicken mit Zusätzen Carboxy Methyl Cellulose, CMC Xanthan Gummi, X-Gum Ethylene Diamine Tetraacetic, EDTA Unterkühltes SAT Unterkühltes SAT + CMC Unterkühltes SAT + H 2 O Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

14 Speichermaterial 14 Wärmeleitfähigkeit von SAT SAT: W/(m K) Luft : 0.03 W/(m K) Stahl: 60 W/(m K) Edelstahl: 15 W/(m K) SAT mit Graphite (150 W/(m K)) 0.5% X-Gum + 5% graphite powder: 0.73 W/(m K) 0.5% X-Gum + 10% graphite powder: 0.92 W/(m K) 0.5% X-Gum + 15% graphite powder: 1.20 W/(m K) Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

15 Speichermaterial 15 Korrosion Hohe Korrosion bei Verwendung von Aluminium in Kombination mit anderen Metallen (z.b. Stahl) Rostbildung bei Verwendung von Stahl Keine Korrosion bei der Verwendung von Edelstahl Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

16 16 Messungen Erster Prototyp im Labor Versuchsaufbau Ergebnisbeispiel Leistung [kw] bei 250 kg/h Entladezeit [h] Rücklauftemperatur [ C] Moser, C.: Saisonale Wärmespeicherung auf Basis von Phasenwechselmaterial. Erneuerbare Energie, Zeitschrift für eine nachhaltige Energiezukunft (2014) 3, page 10-13

17 Messungen 17 Expansion und Wärmeübertragung 10 % Volumenausdehnung beim Phasenwechsel von fest auf flüssig Luftvolumen mit Ausdehnungsgefäß Luftblasen zwischen PCM and Wärmetauscher Ölschichte auf der Oberfläche Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

18 18 Messungen Auslösung der Kristallisation Abkühlung von unterkühltem PCM mit Peltier Element Einbringen eines Kristallisationskeims mit einer Nadel Abkühlung durch CO 2 Expansion an der Außenseite des Moduls

19 19 Messungen Entwicklung und Test der Vorrichtungen

20 Simulation 20 PCM Speicher Modell für TRNSYS 1-dim Knotenmodell Ansatz für die Wärmeleitung: Explizite Methode Zwei Wärmetauscher (oben und unten) Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

21 21 Simulation Validierung des Speichermodells Temperatur [ C] Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik T_VL [ C] T_RL_Mess [ C] T_RL_Sim [ C] Energie_Mess [kwh] Energie_Sim [kwh] Zeit [h] Energie [kwh]

22 22 Simulation System Simulationen mit TRNSYS Solar PCM Heating Hotwater Solar PCM Water Heating Hotwater Solar Bypass Water PCM Heating Hotwater Moisi, H. (2014); Simulation based analysis of a seasonal thermal storage system using PCM; Master Thesis at IWT, TU Graz

23 Demonstration 23 Demonstrationssystem Aufgebaut an der Technischen Universität in Dänemark am Solarteststand 22.4 m² Vakuumröhrenkollektoren 4 PCM Module mit 800 kg SAT 735 l Tank in Tank Pufferspeicher Simulierte Abnahme: Dänisches Passivhaus Voraussichtlicher solarer Deckungsgrad: 80% Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

24 Demonstration 24 Installierte PCM Module Vier Module mit ca. 200 kg Sodium Acetate Trihydrate (SAT) & Additive: Carboxymethyl Cellulose (CMC) zum Eindicken; verhindert die Phasentrennung Graphit Pulver (C); Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit (Eindicken notwendig) Paraffin Öl; Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen PCM (fest) und Wärmetauscher Erhöhter Wasseranteil und Ethylenediaminetetraacetic Acid (EDTA) ; verhindert die Phasentrennung Zusammenstellung der Speichermodule: Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Tank Material: Stahl Edelstahl Stahl Edelstahl PCM Gemisch: SAT + 1% CMC + 2% C + 5l Öl SAT + 1% CMC SAT + 1% H 2 O + 1% EDTA SAT + 2 % EDTA PCM Gewicht: 202 kg 220 kg 202 kg 158 kg

25 25 Zusammenfassung - Erkenntnisse Material (Sodium Acetate Trihydrate, SAT) Neue Daten für SAT vor allem für den unterkühlten Zustand Thermische Messungen Experimente im Labor beweisen, dass das Prinzip funktioniert; Leistung ist jedoch geringer als erwartet TRNSYS Simulationen Neues Speichermodel für TRNSYS wurde entwickelt und mit Messdaten validiert Simulationen unterschiedlicher Systeme zeigten Verbesserungspotentiale auf Vorrichtungen zur Auslösung der Kristallisation Vorrichtungen mit Peltier Element und Nadel wurden entwickelt und getestet Demonstrationssystem Das Gesamtsystem funktioniert und liefert vielversprechende Ergebnisse Weiterentwicklung ist im Gange Hermann Schranzhofer, Institut für Wärmetechnik

26 26 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.

27 27 Publikationen I Long term thermal energy storage with stable supercooled sodium acetate trihydrate, Mark Dannemand, Jørgen M. Schultz, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Applied Thermal Engineering (91), 2015 Solidification behaviour and thermal conductivity of bulk sodium acetatet trihydrate mixtures with thickening agents and graphite powder, Mark Dannemand, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Solar Energy Materials and Solar cells, Vol 145, part 3, pp , 2016 Thermal conductivity enhancement of sodium acetate trihydrate by adding graphite powder and the effect on stability of supercooling, Jakob Berg Johansen, Mark dannemand, Weiqiang Kong, Jianhua Fan, Janne Dragsted, Simon Furbo. Energy Procedia (ISSN: ) (DOI: vol: 70, pages: , 2015 Laboratory test of a prototype heat storage module based on stable supercooling of sodium acetate trihydrate, Mark Dannemand, Weiqiang Kong, Jianhua Fan, Jakob Berg Johansen, Simon Furbo. Energy Procedia (ISSN: ) (DOI: vol: 70, pages: , 2015

28 28 Publikationen II Testing of PCM heat storage modules with solar collectors as heat source, Gerald Englmair, Mark Dannemand, Jakob Berg Johansen, Weiqiang Kong, Janne Dragsted, Simon Furbo, Jianhua Fan. International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, SHC 2015 Laboratory test of a cylindrical heat storage module with water and sodium acetate trihydrate. Mark Dannemand, Weiqiang Kong, Jakob Berg Johansen, Simon FurboInternational Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, SHC 2015 Validation of a CFD model simulating charge and discharge of a small heat storage test module based on a sodium acetate water mixture, Mark Dannemand, Jianhua Fan, Simon Furbo, Janko Reddi. Energy Procedia (ISSN: ) (DOI: vol: 57, pages: , 2014 Saisonale Wärmespeicherung auf Basis von Phasenwechselmaterial. C. Moser, Erneuerbare Energie, Zeitschrift für eine nachhaltige Energiezukunft (2014) 3, page 10-13

29 29 Masterarbeiten Moisi, H. (2014); Simulation based analysis of a seasonal thermal storage system using PCM; Master Thesis at IWT, TU Graz Dröscher, H. (2012); The chemical system of sodium acetate / water as phase change material (PCM) for the use in seasonal energy storage; Master Thesis at IWT, TU Graz