offene feststoff-sorptions-wärmespeicher für raumheizung · wartungsintensität,...
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16.09.2016
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Offene Feststoff-Sorptions-
Wärmespeicher für Raumheizung
Bernhard Zettl
FH- Wels /Team ASIC
WKO- Speichertagung 14.9.2016
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SEITE | 2
− Flow TCS: Verlustfreie Solarspeicher mittels thermochemischer granular-flow Materialien,
2011-2014, kooperative Forschung, (FFG# 834423, Leitung ASIC)
− DualDesorption - Thermisch und elektrisch getriebene Desorption von
thermochemischen Wärmespeichermaterialien für solare Langzeitspeicher; e!MISSION.at
– 4. Ausschreibung, Sondierung, 2014-2015; FFG # 843844
− 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# 853609.
ASIC-Projekte zum Thema
Sorptionsspeicher:
16.09.2016
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SEITE | 3
Festkörper-Sorption mit Wasser
[ChemgaPedia, 2014]
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
Zeolithe, Silica, etc.
Salz-Hydrate
Adsorption: Anlagerung an der
Oberfläche eines festen Stoffes:
Physi-Sorption (ohne Bindung),
Chemi-Soption (mit Dissoziation oder
chem. Bindung - auch irreversible)
[MaddChemie, 2016]
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1. Leistung &
Temperatur Eignung der Technologie
2. Energie/Materialkosten Machbarkeit
3. Enthalpie-Bereitstellung
im Winter (& im Sommer) Technische Komplexität
4. Betriebsverhalten Kundenakzeptanz
4 Fragen zur Anwendung:
Adsorption: Welche Wärmeleistung kann bei einer
gegeben (oder geforderten) Temperatur erbracht werden?
Desorption: Welche Temperatur ist für die Desorption
nötig?
Wieviel Wärmemenge kann genutzt werden, wie groß
muss der Speicher (und die Investition) sein?
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
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Welche Wärmeleistung kann maximal bei einer gegeben (oder geforderten)
Temperatur erbracht werden?
Leistung/Temperatur Beispiel: TES4SET-C Prozessluftentfeuchtung
Bsp. NaY Zeolith (ca. 4kg) , Ofentrocknung 130°C, 18h
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Adsorption FLOW-TCS (für Gebäudeanwendungen)
Welche Wärmeleistung kann bei einer gegeben (oder geforderten) Temperatur
erbracht werden?
Leistung/Temperatur
T=35-60°C, Ptherm.=4-5kW, Dauerbetrieb
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Revolving heat drum adsorber - FlowTCS
Inlet
Outlet
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
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Temperaturkurven
Erwärmung „Konstant“- Phase Abkühlung
70kg Zeolith 4A (ca. 2% Feuchte), Luftstrom 140 m³/h, xein=16 g/kg
T= Taus-Tein
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Höhere Austritts-Temperaturen (z.B. für Warmwasser)
wenn Eintrittstemperatur erhöht wird
system border: tap water supply
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Desorptions-Temperaturen- Zeolith 4A
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5% Materialfeuchte bei 180°C und 15 mbar Wasserdampf(-partial)druck
[CWK-product folder]
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Heißluft Desorption Kollektor- Sommerbetrieb 2015
T-aus >160°C im Aug bei
ca. 600 W/m² (Abs.)
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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
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Material desorption-study
salt type and water content is influencing adsorption
Clinoptilolite +
7.5wt% CaCl2 + 7.5wt% LiCl
Clinoptilolite +
7,5% MgSO4 + 7,5% MgCl2
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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
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Microwave furnace development
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Temperature development inside the microwave cavern
Process related results
Geringe Wirkung der Luftvorheizung, Gesamt-Effizienz für den Bandtrockner zu gering
Typical data of microwave dryer
• Elect. power: 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
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Welche Wärmemenge kann genutzt werden, wie groß muss der Speicher (die
Investition) sein?
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 15.000€ plus Strombedarf ca. 500€/a
(ca. 25% des Wärmebedarf), Kosten in 30 Jahren: 30.000€
Energie/Materialkosten
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High grade 4A versus economical zeolite 4A
Zeolite 4A measurements from different producer
For inlet air humidity of x=10 g/kg the resulting Tmax is 27K for both, high grade and economic 4A (Tdes= 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)
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Composite Material mit natürlichem Klinoptilolith und Salz
Cpt– 7.5% LiCl , 7.5% MgSO4
Batch weight 68kg, desorption temperature 90°C, water uptake approx. 5kg Released heat is 3,5 kWh (185 kJ/kg) for composite Material
grain size 0.3-0.5mm,
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Zeolithe sind sehr stabil 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
Materialentwicklung-Composite
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Material:
• Clinoptilolite (natural zeolite)
Properties:
• For waste heat recovery between 150 – 250°C
• Cheap raw materials
Research focus:
• Increase in reaction enthalpy
• Increase in mechanical strength
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
Material development
Thermo chemical storage material (IET Vienna) Sorption material storage (ASiC)
Tes4seT- Linie D WP2-Materials selection and modification
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Material development for low-temperature
application
Increase in reaction enthalpy:
Due to the development of composit materials
(natural clinoptilolite grains impregnated with salts)
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Vap
ourad
sorp
on[%(w/w
)]
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 Klinonatur,1-2,5mm
Flow-TCSLiCl+MgSO4
Fig. : Clinoptilolite with + Al2(SO4)3
Fig. : Vapour adsorption of different composite materials
Research on:
• Different salts
• Different binder materials
• Agglomeration methods
• Chemical treatments
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Fig. : Fluidized bed agglomeration (AMMAG) and
produced material
• agglomeration studies to increase sorption capacity and mechanical strength
Fig. : Fracture strength and sorption capacity of tested materials
Improvement of the material properties with
agglomeration methods:
Material development for low-temperature
application
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Fig. : Disc agglomeration (ARP) and produced
material
Improvement of the material properties with agglomeration methods:
• Possibility to use different binders and compare salt impregnation methods
• Cheaper production costs
Fig. : Sorption capacity of tested materials
Material development for low-temperature
application
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Welche Quelle für Verdunstungsenthalpie für die Adsorption ist zugänglich:
Sommer:
Desorptionswärme für Speichermaterial (T=150-200°C) (Druck-Temperatur)
Heißluft, Infrarot, Mikrowelle
Winter:
Verdunstungswärme für Adsorption (T=15-25°C)
> Umgebungswärme (Luft)
> Bodenwärme (Sole, 5-10°C)
> Solar(-Niedertemperatur)wärme (Luft oder Glykolgemisch)
Enthalpie-Bereitstellung (v.a.im Winter)
PV eher nicht (weil
Schnee oder geringe
Einstrahlung)
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Luftkollektor- Gemessene Enthalpie Dez 2015- Mar2016
Sollbereich
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Mastertitelformat bearbeiten Weiterentwicklung des Kollektors August 2016- Studentenarbeit/Praktikum
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• Gebäudeintegration: Herausforderung!
• Umweltfreundlichkeit: Gut
• Lebensdauer & Zyklenfestigkeit: Herausforderung!
• Komplexität und Wartungsaufwand: Hoch
Betriebsverhalten
16.09.2016
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OFFSORE- Konzept
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Danke für die Aufmerksamkeit!
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