CryoSol plus Paraffin/Wasser Dispersion zur thermischen Energiespeicherung und -verteilung 28.10.2014 Dr.-Ing. Barbara Zeidler-Fandrich Slide 1
AGENDA Thermische Energiespeicherung bei Fraunhofer UMSICHT Thermische Speicher Phase-Change-Slurries Paraffin/Wasser Dispersion CryoSol plus Latentkältespeicher ProSolarDSKM Slide 2
Thermische Energiespeicherung bei Fraunhofer UMSICHT Thermische Energiespeicher und Systeme Phase Change Slurries Thermische Kälte Wärmespeicher Technologie- und Systementwicklung Oberhausen Thermochemische Speicher Materialentwicklung Materialcharakterisierung Konzeptentwicklung Nürnberg Thermische Energiespeicher Hochtemperaturspeicher Latentwärmespeicher Thermochemische Speicher Speicherintegration Slide 3
Warum thermische Energiespeicherung? Thermische Speicher ermöglichen die bessere Ausnutzung von Primärenergie entkoppeln Wärmeanfall und Wärmebedarf Thermische Speicher mit Wärmepumpen Kraft-Wärme-Kopplung Nah-/Fernwärme Brauchwarmwasser Klimatisierung entkoppeln elektrischen und thermischen Energiefluss ermöglichen den Betrieb von thermischen Speichern als elektrische Speicher Slide 4
Möglichkeiten der thermischen Energiespeicherung Thermische Speicher sensibel latent sorptiv chemisch flüssig fest flüssig - gasförmig fest - flüssig fest (Adsorption) flüssig (Absorption) Wasser (5-95 C) Beton (5-400 C) Dampf (100-350 C) Eis (0 C) Silicagel / Dampf (40-100 C) Ammoniak- Wasser (40-140 C) Metallhydride (280-500 C) Thermoöl (50-400 C) Gestein (50-1400 C) Paraffin (5-80 C) Methanol- Aktivkohle (50-80 C) Reversible Reaktionen (90-850 C) Salz / Salzhydrat (35-850 C) Zeolithe (50-80 C) Verbreitung Slide 5
Latente Wärmespeicherung sensible Speicherung latente Speicherung Energiemenge sensibler Wärmespeicher latenter Wärmespeicher latente Speicherung Temperatur Slide 6
Latente Wärmespeicherung sensible Speicherung latente Speicherung Energiemenge sensibler Wärmespeicher latenter Wärmespeicher latente Speicherung Temperatur Slide 7
Motivation zum Einsatz von PCS Thermische Energiespeicherung mit Wasser Große Speichervolumina und Volumenströme Große Temperaturspreizungen notwendig Thermische Energiespeicherung mit PCM Hohe Energiespeicherdichte Schlechter Wärmeübergang Geringe Flexibilität der Speichersysteme Höherer Apparateaufwand / höhere Kosten PCS kombiniert Vorteile Gute Energiespeicherdichte Pumpfähig, mit gutem Wärmeübergang Slide 8
Pumpfähige Dispersionen Phase Change Slurries (PCS) Eis/Wasser-Suspensionen (Ice-Slurries) Schmelzenthalpie 100 150 kj/kg zur Erzeugung Temperatur < 0 C notwendig Mikroverkapseltes Paraffin als Paraffin/Wasser-Suspension Schmelzenthalpie 50 80 kj/kg Entwicklung der Kapselwand Emulgiertes Paraffin als Paraffin/Wasser-Dispersion Schmelzenthalpie 50 90 kj/kg Entwicklung der Rezeptur Ice Slurries Quelle: Fraunhofer UMSICHT Paraffin/Wasser-Suspension (mikroverkapselt) Quelle: Fraunhofer UMSICHT Paraffin/Wasser-Dispersion (emulgiert) Quelle: Fraunhofer UMSICHT Slide 9
Motivation zum Einsatz von PCS in Speichern PCM/Eis Speicher Erhöhung der Speicherkapazität PCM/Eis Leistung wird durch Phasenwechsel verringert Isolierung der Wärmeübertragungsflächen durch Feststoffbildung PCS Hohe Speicherleistung durch konvektive Wärmeübertragung Temperaturschichtung oder ideale Durchmischung mit Rührwerk möglich Pumpe Kältenetz Kälteabnehmer Kälteabnehmer Kältespeicher Kältespeicher PCS Speicher Pumpe Speicher Verdampfer Pumpe Zirkulation Verdampfer Pumpe Kältenetz Pumpe Zirkulation Slide 10
Motivation zum Einsatz von PCS in Speichern PCS Betrieb mit direkter Durchströmung möglich PCS als Speicher- und Transportmedium Kein zusätzlicher verlustbehafteter Wärmetauscher notwendig Konstantes ΔT bei der Wärmeübertragung erhöht treibende Temperaturdifferenz Kälteabnehmer Pumpe Kältenetz PCS Speicher Kältespeicher Verdampfer Pumpe Zirkulation Slide 11
Paraffin/Wasser Dispersion CryoSol plus CryoSol plus Dispersion von Paraffin in Wasser Phasenwechselmaterial Paraffin mit hoher Schmelzenthalpie Transportmedium Wasser für die Fließfähigkeit und Verbesserung des Wärmeaustauschs Keine Verkapselung, Stabilisierung mit Tensiden Nicht toxisch, nicht brennbar Verglichen zu Wasser 2-3 fache Menge Energie speicherbar Guter Wärmeaustausch Quasi-konstante Temperatur im Phasenwechsel Energiespeicher und -transport Slide 12
Herstellung der Paraffin/Wasser-Dispersion CryoSol plus Paraffin Wasser Wasser Emulgator T = 50 90 C Paraffintröpfchen Schmelzen Dispergieren Emulgatoren Paraffin/Wasser- Dispersion Slide 13
Volumen in % Eigenschaften des PCS CryoSol plus 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0,01 0,1 1 10 100 1000 Partikelgröße in µm Partikelgrößenverteilung einer Dispersion mit 30 % Paraffinanteil Slide 14
Viskosität in Pas Eigenschaften des PCS CryoSol plus 0,02 0,015 14 C 18 C 30 C 0,01 0,005 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Scherrate in 1/s Viskosität der Dispersion mit 30 % Paraffinanteil (Schmelzpunkt 18 C) bei verschiedenen Temperaturen Slide 15
Eigenschaften des PCS CryoSol plus DSC-Messung einer Dispersion mit 30 % Paraffinanteil (C-20er Kettenlänge) [2 K/min] Slide 16
spez. Wärme in kj/kg Eigenschaften des PCS CryoSol plus Vergleich der spezifischen Wärmespeicherung von Wasser, PCS 125 100 Wasser 30 Gew.-% Paraffin 75 105 kj/kg 50 25 0 41.8 kj/kg 0 5 10 15 Temperaturdifferenz in K Slide 17
Eigenschaften des PCS CryoSol plus Speicherbare Energie Je nach Konzentration 50 bis 90 kj/kg (+ 3.2 kj/kgk) Schmelzpunkte Paraffinabhängig, aber weitestgehend frei einstellbar Derzeit verfügbare Rezepturen bei: 11, 18, 21, 28, 36, 44 C Partikelgrößen zwischen 1-10 µm Viskosität zwischen 10-30 mpa s Slide 18
Latentkältespeicher ProSolarDSKM Speichervolumen: 1,5 m³ Paraffinanteil 30 % (Mischung aus 2 Paraffinen) Schmelzwärme: 55 kj/kg Spez. Wärmekapazität: 3,5 kj/kgk Speicherkapazität: ca. 25 kwh PCS Speicher Kälteabnehmer Kältespeicher Verdampfer Pumpe Speicher Pumpe Kältenetz Pumpe Zirkulation Slide 19
DSC in mw/mg Latentkältespeicher ProSolarDSKM Speichervolumen: 1,5 m³ Paraffinanteil 30 % (Mischung aus 2 Paraffinen) Schmelzwärme: 55 kj/kg Spez. Wärmekapazität: 3,5 kj/kgk Speicherkapazität: ca. 25 kwh 0,3 0,25 0,2 0,15 Erstarren Schmelzen Phasenwechsel Entladung 12 16 C 0,1 0,05 0-0,05-0,1-0,15-0,2 0 5 10 15 20 Temperatur in C Phasenwechsel Beladung 7-12 C Slide 20
Temperatur in C Latentkältespeicher ProSolarDSKM Speichervolumen: 1,5 m³ Paraffinanteil 30 % (Mischung aus 2 Paraffinen) Schmelzwärme: 55 kj/kg Spez. Wärmekapazität: 3,5 kj/kgk Speicherkapazität: ca. 25 kwh Beladung des Speichers (Ladeleistung 50 kw) 20 19 PCS 18 Wasser 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 Zeit in min Ein vergleichbarer Kaltwasserspeicher hat eine Speicherkapazität von ca. 9 kwh (bei ΔT = 5 K)! Slide 21
Temperatur in C Latentkältespeicher ProSolarDSKM Speichervolumen: 1,5 m³ Paraffinanteil 30 % (Mischung aus 2 Paraffinen) Schmelzwärme: 55 kj/kg Spez. Wärmekapazität: 3,5 kj/kgk Speicherkapazität: ca. 25 kwh Beladung des Speichers (Ladeleistung 50 kw) 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 Verlauf steiler als bei Wasser aufgrund des geringeren c p -Werts Zeit in min PCS Wasser Ein vergleichbarer Kaltwasserspeicher hat eine Speicherkapazität von ca. 9 kwh (bei ΔT = 5 K)! Slide 22
Temperatur in C Latentkältespeicher ProSolarDSKM Speichervolumen: 1,5 m³ Paraffinanteil 30 % (Mischung aus 2 Paraffinen) Schmelzwärme: 55 kj/kg Spez. Wärmekapazität: 3,5 kj/kgk Speicherkapazität: ca. 25 kwh Beladung des Speichers (Ladeleistung 50 kw) 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 Zeit in min PCS Wasser Verlauf flacher als bei Wasser aufgrund der Schmelzwärme Ein vergleichbarer Kaltwasserspeicher hat eine Speicherkapazität von ca. 9 kwh (bei ΔT = 5 K)! Slide 23
FRAUNHOFER UMSICHT Thermal Energy Storage Thank you very much for your attention! Contact: Fraunhofer UMSICHT Osterfelder Str. 3 46047 Oberhausen Germany E-mail: info@umsicht.fraunhofer.de Internet: http://www.umsicht.fraunhofer.de Foto: photocase.de Dr.-Ing. Barbara Zeidler-Fandrich Phone: +49 208-8598-1143 E-mail: barbara.zeidler-fandrich@umsicht.fraunhofer.de Slide 24