Langtidsvarmelagring baseret på salthydrater. Simon Furbo DTU Byg Danmarks Tekniske Universitet Bygning 118, Brovej 2800 Kgs. Lyngby

Transkript

1 Langtidsvarmelagring baseret på salthydrater Simon Furbo DTU Byg Danmarks Tekniske Universitet Bygning 118, Brovej 2800 Kgs. Lyngby

2 Heat pack håndvarmer Kog i 10 minutter Put i tasken - gå en tur Bøj metalskive - varm hænderne 2

3 Stored energy [kj/litre ] Smeltevarmelagringsmateriale Heat storage capacity of sodium med acetate underafkøling tri-hydrate varmeindhold af natriumacetat trihydrat Underafkøling Sodium acetate Aktivering af størkning Melting point = 58 C Water Temperature [ C] 3

4 Natriumacetat trihydrat NaCH 3 COO 3H 2 O 60% natriumacetat + 40% H 2 O Inkongruent smeltning - faseseparation Ekstra vand princippet 58% natriumactat + 42% H 2 0 Underafkølet natriumacetat trihydrat Underafkølet natriumacetat trihydrat tilsat vand Tilsætningsstoffer - Carboxymethylcellulose, CMC - Xanthangummi, X-Gum - Etylen diamin tetra eddikesyre, EDTA Underafkølet natriumacetat + CMC 4

5 For 5 år siden: Start Formål: Demonstration af fuldskala solvarmeanlæg med langtidslagring 5

6 Sandwich varmelagermodul med natriumacetat trihydrat Start af størkning ved afkøling af modulets yderside eller med nål Fordele: Store varmeoverførende arealer Reduceret risiko for faseseparation Reduceret risiko for salthydratkrystaller efter smeltning Lukket kasse uden revner til salthydrat Internt og eksternt ekspansionsvolumen for salthydratet - lavt tryk i kassen Reduceret risiko for mislykket underafkøling 6

7 Varmelagermodul sandwich design Dimensioner: 240 x 120 cm Kassehøjde: 5 cm Varmevekslerhøjde: 4 mm Materialetykkelse: 2mm Stålmasse: 236 kg Natriumacetat vand blanding: 200 kg Natriumacetat trihydrat med CMC: 220 kg 7

8 Udfordringer Tilstrækkelig høj varmeoverføringsevne Højt varmeindhold af varmelagermodul Varmelageret skal fungere stabilt med højt varmeindhold i lang tid Stabil underafkøling Pålidelig aktivering af størkning 8

9 Massefylde af natriumacetat trihydrat Fast Væske 9

10 Effektiv varmetransport i varmelagermodulet Problem: Luftlommer mellem salthydratkrystaller og varmevekslere luft/vakuum Olie Løsning: Forøgelse af varmetransport mellem salthydratkrystaller og varmeveksler ved at tilføre olie, som suges ned i luftlommerne 10

11 11 Start af størkning med nål

12 Heat content [kj/kg] Småskalaforsøg varmeindhold af natriumacetat trihydrat inklusive tilsætningsstoffer % 42% 45% 46% CMC X-Gum X-Gum F EDTA* Tartaric* Aquakeep* Glycerol* AMPS*Chinese Liquid* * Nogle blandinger indeholder ekstra vand 12

13 Erfaringer Underafkøling Stabil underafkøling opnås både i moduler af stål og rustfrit stål Stabil underafkøling opnås hvis alle dele af materialet opvarmes til mere end 77 C Stabil underafkøling opnås med ekstern ekspansionsbeholder Med tiden kan salt i slangen mellem salthydratkassen og ekspansionsbeholderen resultere i mislykket underafkøling Tilsætning af olie reducerer fordampning fra salthydratet til slangen til ekspansionsbeholderen Aktivering af størkning pålidelig med CO 2 aktiveringsprincip til køling Peltier element til køling Nål med krystaller 13

14 Erfaringer fortsat Varmeoverføringsevne Lav varmeoverføringsevne både for opvarmning og afkøling Målt varmeoverføringsevne mindre end beregnet Olie forøger varmeoverføringsevne under afkøling Grafit pulver forøger varmetransport Varmeindhold Varmeindhold reduceres med tiden for natriumacetat/vand blandinger Varmeindhold konstant med tilsætningsstoffer Faseseparation forhindres, selv i høje varmelagre Målt varmeindhold tæt på teoretisk beregnet varmeindhold Forøget varmeindhold og aktivt temperaturniveau med tilsætningsstoffer i stedet for ekstra vand Langtidsstabilitet Varmelagermodul stabilt med lavt tryk i varmevekslerne 14

15 Demonstrationsanlæg Forsøgsareal for solvarme på DTU Byg 15

16 16 Demonstrationsanlæg

17 Smeltevarmelager for demonstrationsanlæg 17 SAT: Natriumacetat trihydrat

18 Erfaringer Anlægget fungerer Målesystemet fungerer Solfangerne kan smelte varmelagermodulerne Underafkølingen fungerer for 3 moduler Smeltevarme anvendes til dækning af varmebehov og: Høje varmelagermoduler fungerer stabilt med tilsætningsstoffer Udfordring Der er lang vej til attraktive langtidsvarmelagre til markedet 18

19 Anbefalinger til videreudvikling Reducere pris billigere tankmateriale, -design, -produktion bedste tilsætningsstof Optimal udformning af anlæg inklusive buffertank til forskellige huse Identificere attraktive løsninger til energisystemet Solvarmeanlæg med udnyttelse af billig el Varmepumpeanlæg Forbedrede driftsbetingelser, øget COP Forskydning af elforbrug ift. varmebehov 19

20 Igangværende projekter IEA SHC Programme Task 58 projekt: Material and Component Development for Thermal Energy Storage Udvikling af langtidsvarmelager i samarbejde med H.M. Heizkörper, Tyskland Gerald Englmairs Ph.D. studium om langtidsvarmelagring ved hjælp af natriumacetat trihydrat 20

21 Cylinderformet modul under afprøvning 21 Natriumacetat trihydrat: 200 kg (160 l) Vand: 60 kg Stål: 140 kg

22 150 cm Samarbejde med H.M. Heizkörper GmbH & Co. KG om Thermobatterie Cylinderformet rustfrit stål modul med interne varmevekslere: 16 rør med tynde varmeoverføringsplader Modulvolumen: 115 kg natriumacetaat trihydrat/vand blanding med tilsætningsstoffer cm

23 Suntherm Natriumacetat trihydrat varmelager/varmepumpe unit 50x50x180 cm modul 250 l natriumacetat trihydrat 80 l varmetransmissionsolie 23

24 24 Nyeste publikationer

25 Tak til the European Union Seventh Framework Program 25