Towards compact heat storage technologies for a

Compacte Warmteopslag Technologieën:
Naar een 100% duurzame warmtevoorziening
Wim van Helden
Warmte opslaan
Meer warmte opslaan
Warmte voor een heel seizoen
Seizoensopslag van zonnewarmte
120
60
12
voelbaar
latent
chemisch
Opslag volume (m3) nodig voor een energiezuinig huishouden
Waarom compacte warmteopslag?
Warmteopslag technologieën in verschillende
ontwikkelingsstadia
Water (voelbaar)
Volwassen markt
PCM (latent)
Demonstratie
Sorptie
Ontwikkeling
TCM (thermochemisch)
Onderzoek
CHARGE
+ heat
+
STORE
DISCHARGE
+
+ heat
Thermo Chemische Materialen (TCMs)
Onderzoek en Ontwikkeling
Doel: opslagdichtheid van systeem 8 maal beter dan water
Activiteiten:
materiaal onderzoek
proces ontwikkeling
system ontwikkeling
Typische systeem ontwerp randvoorwaarden voor toepassing in de
gebouwde omgeving:
opslagdichtheid > 1 GJ/m3
laad temperatuur < 180 °C
laad/ontlaad vermogen 10 kW
capaciteit 100 kWh (micro-WK) – 20 GJ (seizoensopslag)
# cycli: 1500 (micro-WK) – 30 (seizoensopslag)
Principe van Thermo Chemische warmteopslag
CHARGE
+ heat
+
STORE
DISCHARGE
+
+ heat
TCM materiaal onderzoek
Identificeren van kandidaat materialen
Lijst met selectiecriteria: capaciteit, reactie temperatuur, toxiciteit,
prijs, ...
Materiaal karakterisering
Reactie temperaturen en reactie enthalpieën
Warmte transport eigenschappen
Cyclerings gedrag
Efficiëntie van de reactie, degradatie (invloed van onzuiverheden,
nevenreacties)
Structurele eigenschappen (kristalstructuur, deeltjesgrootte,
-verdeling, …)
Kandidaat TCM: MgSO4
Reactie: MgSO4xnH2O + warmte
Thermochemisch materiaal – MgSO4x7H2O
MgSO4 + nH2O
100
MgSO4.7H2O
MgSO4.6H2O + H2O
Mass (%)
90
80
MgSO4.6H2O
MgSO4.0,2H2O + 5,8H2O
70
MgSO4.0,2H2O
60
MgSO4 + 0,2H2O
50
0
50
100
150
200
Temperature (C)
Massa van het test sample
neemt af bij stijgende
temperatuur.
250
300
350
Morfologie
Korrelgrootte en korrelvorm
veranderen na
hydratie/dehydratatie cyclus
TCM proces ontwikkeling
Beheersen van warmte- en stofoverdracht in een TCM
warmteopslag concept
Reactie temperatuur en warmtestroomdichtheid moeten beide op
voldoende hoog niveau zijn
Modelleren van massa- en stoftransport in TCM
Warmte en stof transport vergelijkingen, warmteproductie door chemische
reactie
Verschillend gedrag in korrels en in bulk
Eigenschappen afhankelijk van aggregatietoestand en van temperatuur,
druk
Reactor geometrie, transport van warmte en stof van en naar
reactor, materiaal opslag, productie technologieen
Thermochemische opslag van zonnewarmte
Separate
reactor
concept
Reactor concepten
Hete schroefdroger
Bewegend rooster droger
Reactor concepten
Bulk flow reactor
Chemicaliën verhitter (KCl)
TCM systeem ontwikkeling
Compleet TCM warmteopslag systeem: warmteopslag,
hulpapparatuur, warmtebron, warmteafnemer.
Bepalen en optimaliseren van
Systeemregeling
Systeem efficientie
Dynamisch gedrag
Component en systeem productie technologieën
Hoe kunnen we de toekomst
doelstellingen halen
Van duurzaamheidsdoelstellingen naar R&D roadmaps
ESTTP Solar Thermal Vision Paper
Cruciale rol voor compacte warmteopslag technologieën
R&D onderwerpen in Strategic Research Agenda
Doel:
Kostenreductie door massaproductie
en technologische ontwikkeling
Cost Target: 5 – 10 Eurocent/kWh
Langetermijn effect van compacte
warmteopslag
Geleidelijke introductie van verbeterde compacte
warmteopslag technologieën vanaf 2015
Opgewekte zonthermische energie in EU verdubbelt in 2030
3000
2500
1500
1000
500
0
2019
2016
2013
2010
2007
2022
Year
2025
2028
PJ/y
2000
B
8
1
C
+
/2
.
.
)
.
-
-
.
+
,
,
>
<=
D=>
A
7
8
1
8
5
)
-
-
.
.
/
+
(/
+
-
*
(
)
.
-
-
(/
2
+
.
/)
.
-
-
/
2
+
/
,
,
,
,
,
,
,
,
6
6
6
6
6
6
6
6
07
3
7
7
07
4
+
8
5
5
-
*
'
.
/
'(
)
.
.
-
-
(/
+
-
/
)
5 '
;
,
,
,
6
6
0
$
%
&
1
1
2
/
-
.
(
'
+
.
,
6
7
1
1
1
1
1
(
/
'(
/
2
+
2
/
'
+
-
(/
+
-
'
.
+
'
+
/
+
(/
'
.
-.
-
+
.
)
+
,
,
,
,
,
6
6
6
6
6
6
0
7
:
@
?7
:
7
0
0
5
5
5
;
(/
+
-
/)
'
+
,
6
6
0
!
1
(/
*
(
-
,
<=>
6
"
#
51
1
.
-
/
-.
.
+
)*
.
2
.
,
,
6
6
0
4
:
9
;
5
8
5
.
2
.
/
+
(/
2
/
'
)
+
/)
+
.
*
*
-
,
6
6
6
0
0
07
4
:
7
7
0
5
1
1
2
-
/
(
2
.
+
(
-
+
(/
-
+
-.
'
)*+
'(
,
,
6
6
07
4
3
0
R&D Roadmap
Verbeterde actieve materialen
(silicagels, zeolieten, hydraten)
Nieuwe materialen (phase-change,
thermochemische)
Actieve materialen met een drager
materiaal (zeolieten op aluminium)
Combinaties van actieve materialen
(zeolieten plus hydraten)
Chemische Technologie
Microreactor systemen (gecombineerd
met nieuwe collectortechnologieën)
Reactie katalyse
Membraan technologie
Verbindingen en composietmaterialen
Fundamenteel en Toegepast
onderzoek voor Thermische
Energie Opslag
Internationale Warmteopslag R&D
International Energy Agency IEA
SHC T32: Advanced storage concepts for solar and low energy
buildings; taak bijna afgesloten
Vervolg op T32: Advanced materials for compact thermal
energy storage; Nederland heeft initiatief
Follow- up voor PREHEAT: TESForum
Europese Technology Platforms
ESTTP (zonthermisch), ECTP (bouw), SusChem (chemie),
SmartGrids (elektriteitsnetwerken)
Conclusies
Compacte warmteopslag is noodzakelijk om 100% duurzame
warmtevoorziening te bereiken
R&D nodig naar materialen, processen en systemen
Toenemende internationale aandacht voor thermische energie
opslag R&D
Er liggen nieuwe kansen voor onderzoek toegespitst op energie
materialen
Nederland speelt belangrijke rol in internationale werkveld van
compacte warmteopslag