Experimental study on a new latent heat storage system

Abstract

Heating and cooling accounts for the majority of the world’s energy consumption and yet, almost 70 % ends up as waste heat. In a world with constantly growing energy demand, viable thermal energy storage technologies (TES) are increasingly needed. Latent heat thermal energy storage (LHTES) can contribute significantly to a more efficient use of waste heat and energy resources, overcoming the challenges of supply mismatching with demand.

The city of Espoo aims to develop Kera area to a smart city ecosystem and Lux-Turrim5G project is paving the ground for this sustainable growth. The mission is to develop a 5G network based on smart poles and a low-temperature district heating (DH) network for efficient use of waste heat. The smart poles accumulate low-grade waste heat, and a network of them might offer potential for heat recovery and recycling through DH or LHTES.

Within this context, this thesis firstly investigates waste heat streams from different sectors and their recycling possibilities through LHTES. Secondly, this thesis experimentally investigates the performance of a medium-low and medium temperature pilot LHTES system for utilization of waste heat. The focus is set on power ranges and temperature ranges that are relevant for smart poles, DH and low-temperature DH networks to suit the interests of the LuxTurrim5G project.

The investigated pilot LHTES employs different innovative 3D-printed heat exchangers (HE), designed to possess a large heat transfer area, yet have a lightweight structure. The tested phase change materials (PCMs) are characterized by two different temperature ranges to suit waste heat of different grade. As a novel part, biocarbon (BC) additives are investigated for thermal performance enhancement in lightweight storage elements. The experimental analysis focuses on how these elements (HE structure, PCM and additives) affect the power, duration and storage capacity of the LHTES.

It was found that the heaviest HE structure provided the highest heat transfer rates regardless the PCM. The most lightweight HE structure provided lowest heat transfer rates but allowed using larger amount of storage medium. Finally, it was found that 1 wt-% BC additives could compensate for the loss in thermal conductivity of the lightweight structure by increasing charging power of the configuration by 32% and reducing charging time by 33%.

Finally, a conceptual LHTES system is proposed of scaling up the pilot system by a modular design and integrating it to a smart city bus stop in Kera area. Using decanoic acid with 1 wt-% BC as PCM, a modular system of already 10 elements enable heat storage capacity of 1.2 kWh, enough to heat a floor for 6 hours or a bench for 15 hours. To simultaneously achieve waste heat recycling, the system is suggested to use excess heat from DH substations and consequently, serve as a buffer for DH.

Uppvärmning och nedkylning står för majoriteten av världens energikonsumtion, varav 70% resulterar i spillvärme. I en värld där energibehovet ökar konstant är det allt viktigare med termisk energilagring. Latenta värmelagringssystem kan bidra betydligt till en mer effektiv användning av spillvärme och energiresurser och kan därmed lösa de utmaningar som uppstår när utbud inte sammanfaller med efterfrågan.

Esbo stad planerar att utveckla Kera område till ett ”smart city” ekosystem och LuxTurrim5G projektet banar väg för denna hållbara utveckling. Målet är att utveckla ett 5G nätverk baserat på ”smart poles” och ett lågtempererat fjärrvärmesystem för effektiv användning av spillvärme. Smart poles avger låggradig spillvärme, och ett nätverk av dem kan potentiellt erbjuda återvinningsmöjligheter genom lågtempererade fjärrvärmesystem.

Till att börja med granskar denna avhandling spillvärmeströmmar från olika sektorer samt deras återvinningsmöjligheter genom latenta värmelagringssystem. Därpå granskas prestandan av ett latent värmelagringssystem experimentellt. Värmelagringssystemet i fråga är av medel- och medellåg temperatur, för avseendet av spillvärme. Fokusen är satt på kraft- och temperaturomfattningar som är relevanta för smart poles, fjärrvärme och lågtempererat fjärrvärme, för att motsvara de intressen som finns i LuxTurrim5G projektet.

Det granskade värmelagringssystemet använder sig av olika innovativa 3D-printade värmeväxlare som är designade att inneha stor värmeöverföringsyta och samtidigt ha lätt struktur. Fasändringsmaterialen som testas är karakteriserade av två temperaturklasser för att lämpa sig för spillvärme av olika grad. Bio-kol som tillsatsmedel undersöks för förbättring av termisk prestanda i lättviktiga värmeväxlare. Den experimentella delen undersöker hur systemets effekt, varaktighet och kapacitet ändras beroende på värmeväxlarens struktur, fasändringsmaterialet och tillsatsmedlet.

Resultaten påvisade att den tyngsta värmeväxlaren resulterade i högsta värmeöverföringshastigheten oberoende av fasändringsmaterial. Den lättviktiga värmeväxlaren resulterade i lägsta värmeöverföringshastigheten, men tillät användning av en större mängd värmelagringsmedium. Till sist konstaterades att tillsatsen av 1 mass-% bio-kol kunde kompensera förlusterna i termiska konduktiviteten av den lättviktiga värmeväxlaren genom att öka laddningseffekten med 32% och minska laddningstiden med 33%.

Slutligen föreslår arbetet ett koncept där det latenta värmelagringssystemet skalas upp i en modulär design och integreras i en smart city busshållplats i Kera område. Genom att använda dekansyra med 1 mass-% bio-kol som fasändringsmaterial, kan redan ett system med 10 modulära element erbjuda värmelagringskapacitet på 1.2 kWh, tillräckligt för att värma upp ett golv i 6 timmar och en bänk i 15 timmar. För att samtidigt uppnå återvinning av spillvärme, föreslås att systemet använder överlopps värme från fjärrvärmesystemens distributionsstationer och kan därmed även fungera som en buffert för fjärrvärmesystemet.