相変化材料(PCM)を用いた熱と冷却の貯蔵 - 相構造を変化させる材料(液体 - 固体)
相変化材料(PCM)は、一定温度で大量の熱エネルギーを吸収および放出するように設計されています。30以上の有機(ATP)および無機(ATS)の高性能PCMは、-40°Cから120°Cまでの温度をカバーしています。特定のアプリケーションに対応したさらなる融点もリクエストに応じて開発可能です!
PCMの主な特徴は次のとおりです:
- 高い熱貯蔵容量
- 何千回もの熱サイクルで一貫して繰り返し性能を発揮
- 簡単で安全な取り扱い
再生可能資源から製造され、非毒性で生分解性です。
PCMは、実用的なアプリケーションでのより迅速なエネルギー交換と優れた性能を実現する最適化された表面積対質量比を持つ特別なハウジングの中に入れられています。
貯蔵容量を増やすための革新的なソリューション
PCMの相変化温度の範囲
潜熱貯蔵技術の基礎
現代の世界では、効率的なエネルギー利用がますます重要な役割を果たしています。私たちの世界は、有限の資源(石油、石炭など)またはますます時代遅れのモデル(原子力エネルギーなど)から「需要に応じて」十分なエネルギーを持つ習慣があります。ただし、この贅沢は環境に負担をかけます - 大量のエネルギー準備が不必要であり、CO2排出が増加し、これらのエネルギー源の生産、輸送、廃棄によって環境に追加の負担がかかります。それは私たちに十分なエネルギーへのアクセスを提供してくれますが、問題は供給と需要がしばしば時間との間でバランスを欠いていることです。このような差異は、生産(例:製造業)から時間までさまざまです。
これは、昼間に提供される太陽熱エネルギーの需要が高まる夜に急増するため、需要の問題であると言えます。これが、相変化などの貯蔵の問題が登場する場所です。相変化の重要な応用は、燃料電池、熱ポンプ、共生プラントなどに見られます。相変化の重要性は、エネルギー改革の結果として生じた数多くの可変エネルギー源( 熱、電気)によってますます増大しています。以下の視点は、特に熱エネルギーの貯蔵に焦点を当てています。
PCM潜熱貯蔵技術
潜在的な貯蔵は、適切な材料(PCM =>相変化材料)の相変化原理に基づいています。この材料が固体(結晶)の状態にあるときに熱エネルギーが供給され、PCMの温度が上昇し始め、溶け始める点です。これが相変化が始まるポイントです。このプロセス中、分子間の結合が熱的に破壊され、PCMが液体になります。この時点から、PCMは温度を上げることなく熱エネルギーを吸収し始めます。この蓄えられたエネルギーは潜熱の形で貯蔵されます。周囲の温度が下がると(材料が再び固化する)、この蓄えられたエネルギーが感熱として解放されます(温度上昇)。
PCM技術は再生可能エネルギー源(太陽、風など)の主要技術であるだけでなく、エネルギー発生システム(コージェネレーションユニット、熱ポンプ、余熱回収など)およびエネルギー変換(暖房、冷房、乾燥など)と効果的に組み合わせて使用することができます。
PCMは、いわゆる潜熱蓄熱器で主に使用され、熱を貯蔵および放出する装置です。これにより、エネルギー管理での供給と需要を整合させるための理想的なツールになります。このシステムの経済的利点は、貯蔵されたエネルギーの量が直接体積に依存せず、主に使用される材料の相変化エンタルピー(kJ/kg)に依存することです。これにより、比較的少量の材料で大量のエネルギーを小さな空間に貯蔵または放出することが可能になります。
PCM技術の利点は、エネルギー貯蔵を既存のプロセスに統合できることです(例:建築構造)。これにより、インフラへの追加投資を削減または回避することができます。PCM蓄熱器は、熱デバイスの動作を最適化し、効率を向上させ、エネルギー消費量およびCO2排出量を減らすことができます。
ATP - パラフィン
- さまざまな温度範囲で利用可能
- 安定したサイクル
- 統合可能
- 貯蔵容量 > 70 Wh/kg(250 kJ/kg)
- 低い熱感度(0.5 Wh/kg - K)
- 弱いまたは冷却がない
- 低密度(約0.74 kg/l)
- 低い貯蔵密度 50 Wh/l(185 kJ/l)
- 低い熱伝導率(0.2 - 0.4 W/m - K)
- 引火性
ATE - エステル
- さまざまな温度範囲で利用可能
- 安定したサイクル
- 統合可能
- 貯蔵容量 > 60 Wh/kg(220 kJ/kg)
- 低い熱感度(0.5 Wh/kg - K)
- 弱いまたは冷却がない
- 低密度(約0.84 kg/l)
- 低い貯蔵密度 50 Wh/l(185 kJ/l)
- 低い熱伝導率(0.2 - 0.4 W/m - K)
- 引火性、ただし着火温度がわずかに高い
ATS / PKS - 塩および塩水和物
- 選択された温度範囲で利用可能
- 安定したサイクル
- 貯蔵容量 40 - 90 Wh/kg(180 - 320 kJ/kg)
- 高い熱感度(0.8 - 1 Wh/kg - K)
- 冷却が低い
- 高密度(1 - 1.7 kg/l)
- 高い貯蔵密度 60 - 90 Wh/l(200 - 320 kJ/l)
- 高い熱伝導率(0.4 - 0.6 W/m - K)
- 非引火性
主要PCM相変化温度
HeatStixxおよびHeatSelはさまざまな相変化温度で利用可能です。これには非常に幅広いアプリケーションと熱と冷却の貯蔵の可能性が含まれます。以下の図は、最も人気のある材料を示しています。
PCMの適切な相変化温度を選択する方法
相変化は常に特定の温度で発生します。ただし、これを達成するには、熱伝達媒体からPCMへの特定の温度降下、つまり周囲温度から相変化温度までの温度降下が必要です。
これはエネルギー消費および生産の両方にとって重要です。したがって、PCMの相変化温度は、システムの動作の各ポイントでシステムの最小温度と最大温度の間に選択される必要があります。
たとえば、タンクを通常40°Cから60°Cの温度で動作させる場合、最適なPCM温度は約50°Cになります。
その後、タンクは40°Cで放電を続け、60°Cで完全に充電されますが、このプロセスにははるかに時間がかかります。これにより、はるかに多くのエネルギーを蓄積することが可能になります。
1½"接続を介したheatStixxタンクへの取り付け
適用オプション:小型貯蔵タンク、標準暖房システム、民間住宅、1000リットルまでのタンク、および既存のタンクの最適化
潜在的なアプリケーション:冷却の貯蔵、熱の貯蔵
適用オプション:大型熱貯蔵タンク HeatSel 2000リットルまでおよびHeatSelXLタンク 20000リットルまで、オプションで既存のタンクにも
潜在的なアプリケーション:冷却の貯蔵、熱の貯蔵。
PCMバッファータンクの充電と放電 - 融解温度58°C
どれだけの熱出力を利用できますか?
タンクが完全に充電されているとき、タンクから抽出または貯蔵できる熱容量は、次の3つの変数によって制限されます:
- 相変化温度とシステムの戻り温度との温度差
- 貯蔵タンクのサイズ
- システムの体積流量
性能図には、達成できる出力データが表示されています。
暖房アプリケーションの例:
- 貯蔵タンクのサイズ:600リットル
- 体積流量:900リットル/時
- 体積流量と貯蔵タンクサイズの比率:1.5
- PCMの相変化温度:58°C
- タンクへの戻り温度:53°C
- Δ5 K:図上の青の線
- これにより、連続出力が約9.8 kWになります
また、連続出力を達成するために体積流量とタンクサイズの比率が1.5を超えないようにすることが重要です。もちろん、より高い出力は、たとえば家庭用給湯ステーションを通じて、短時間で達成することもできます。
PCM熱貯蔵の応用
- 熱貯蔵
- 冷蔵
- 熱ポンプシステム
- 併給発電(CHP)システム
熱ポンプの操作の最適化
- スマートグリッド料金の利用を可能にする
- 熱ポンプの停止時間を組み合わせる
- 熱ポンプの効率を向上させる
Kraft Boxx熱センター
- 循環暖房回路 - 混合用ポンプグループ - 暖房回路、45 kWまでの電力範囲
- 淡水ステーション - 41l/minまでの3つのモデル
- 発熱装置 - 電気熱ステーション
- PCMを使用したマクロカプセル - 潜熱の貯蔵
PCM貯蔵の利点
- 貯蔵容量の増加 - 体積を変更せずに3〜4倍(後付け可能な解決策が利用可能)
- タンク容量の減少 - 安定した容量で3〜4倍(および最小限のスペース要件)
- 運用コストの削減 - ピーク値(名目出力に対する)を下げて、より安価な電気料金(例:夜間料金)と内部供給を利用することでピーク値を下げる
- 効率の向上 - 一定の温度レベルがCOP係数を上げ、熱損失(運用コスト-40%!)を減らし、より小さな暖房および冷却装置の設置を可能にする
- 製品寿命の延長 - 作業段階の削減、延長された停止時間、およびシステムの保守作業の最小化による最適レベルでの連続運転
- 処理の簡素化 - 温度ピークを 相変化に変換することで、一貫した充電および放電温度レベルが得られ、熱スイッチとしての利用の可能性があります。
CHPプロジェクト - 併給発電
課題:併給発電ユニットで供給される小規模地域暖房網用のバッファータンクのサイズを最小限に抑える。
- 必要な貯蔵容量は5.5 m³の水の容量です。
- 冬季の地域暖房ネットワークの供給温度は55°Cで、戻り液温度は45°Cです
解決策:選択されたサイズの従来のバッファータンクに比べて、タンク容量を30%削減します。2500リットル。
熱ポンププロジェクト
課題:熱ポンプのバッファータンク容量を最大化して運用の柔軟性を向上させる。
- 容量300リットル
- 全体の充填量を60°Cから50°Cまで冷却
解決策:貯蔵容量を258%増やします。
冷蔵タンクプロジェクト
課題:水/グリコール冷蔵タンクの容積を最小限に抑える。
- 容量8000リットル
- -5°Cから5°Cまでの温度範囲
解決策:高価な熱交換器や建設工事を必要とせずに冷蔵タンクを簡単に実装し、元の容量の25%に相当する2000リットルの貯蔵容量を最小限に抑えます。