Long-term thermal energy storage with cold-crystallizing materials - Method, properties and scale-up

Thumbnail Image
Files
isbn9789526411330.pdf (5.24 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2023-03-10
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2023
Department
Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
84 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 12/2023
Abstract
Thermal energy storage (TES) is an attractive technology for balancing the variations in renewable energy production because currently, half of the global final energy consumption consists of heating, which mainly relies on fossil fuels. If an efficient and compact long-term TES emerged, viability of the renewable energy production would improve as seasonal variations could be smoothened. One way to achieve long-term TES is to utilize supercooling, glass transition and cold-crystallization to store and release the latent heat of melting. This work provides new knowledge on crystallization behaviour of cold-crystallizing materials and their implementation in TES applications. This thesis categorized mixtures of sugar alcohols and polymers, and their crystallization, thermal and morphological characteristics. Additionally, the key storage parameters of potential compositions were determined using a TES prototype system and a thermal chamber measurement procedure. The results reveal that the crystallization mechanism changes below 1.2*Tg (Tg= glass transition temperature, (K)) and the crystallization kinetics drastically reduce below 1.14*Tg. Additionally, reducing the lowest temperature achieved during supercooling accelerated the subsequent cold-crystallization at a constant temperature. The observed crystallization behaviour was explained in terms of energy landscape of the material and conformational flexibility of the sugar alcohol. The material showing the highest potential for long-term storage applications possessed a volumetric melting enthalpy of 200 MJ/m3, which is in the mid-range of typical phase change materials used in TES. Moreover, it demonstrated high storage efficiency after a nine-month storage at 10 °C. However, the materials should be used in a combined short- and long-term storage to yield high round-trip efficiency of 0.50-0.80, which depends considerably on the temperature at which the released heat is used. This work explains and demonstrates experimentally the fundamental changes in the crystallization behaviour occurring below 1.2*Tg, which enables using the supercooling, glass transition and cold-crystallization methods for long-term storing and adequate release rate of thermal energy. Furthermore, the results confirmed that this method may be practically applied to TES systems, indicating that advanced material solutions have potential to replace fossil fuel heating sources.

Lämmön varastointi on houkutteleva tekniikka uusiutuvan energiatuotannon tasaamiseen, koska puolet maailman energian loppukulutuksesta on lämpöä, joka tuotetaan pääasiassa fossiilisilla polttoaineilla. Jos kompakti ja energiatehokas pitkäaikainen lämmön varastointi kehitettäisiin, uusiutuvan energiatuotannon käyttökelpoisuus paranisi, koska kausittaiset vaihtelut voitaisiin tasata tehokkaammin. Yksi potentiaalinen menetelmä toteuttaa pitkäaikainen lämmön varastointi on hyödyntää alijäähtymistä, lasisiirtymää ja kylmäkiteytymistä materiaalin sulamislämmön varastointiin ja purkuun. Tässä työssä analysoidaan tämän mentelmän käyttökelpoisuutta pitkäaikaiseen lämmön va-rastointiin valmistamalla sokerialkoholin ja polymeerin seoksia ja selvittämällä niiden termiset, morphologiset ja kiteytymisominaisuudet. Lisäksi, tässä työssä määritetään potentiaalisten kompositioiden tärkeimmät toiminnalliset parameterit käyttämällä lämpövarastoprototyyppiä ja tässä työssä kehitettyä kalorimetristä mittausjärjestelmää. Tulokset paljastivat, että materiaalin kiteytymismekanismi muuttuu lämpötilan laskiessa 1.2*Tg (Tg = lasisiirtymälämpötila (K)) alapuolelle ja kiteytymisnopeus hidastuu voimakkaasti 1.14*Tg alapuolella. Lisäksi, jäähdytyksen loppulämpötilan laskeminen alijäähdytysvaiheen aikana nopeutti seuraavan lämmityksen aikana tapahtuvaa kiteytymistä vakiolämpötilassa. Nämä muutokset selitettiin materiaalin energiamaiseman (energy landscape) ja sokerialkoholin konformaationaalisen joustavuuden kontekstissa. Potentiaalisin materiaali pitkäaikaiseen lämmön varastointiin saavutti 200 MJ/m3 suuruisen sulamislämmön, joka on tyypillisten faasimuutosmateriaalien keskitasoa. Tämä materiaali myös säilytti korkean varastointihyötysuhteen 10 °C lämpötilassa yhdeksän kuukauden ajan. Materiaalia pitäisi kuitenkin käyttää yhdistetyssä lyhyt- ja pitkäaikaisvarastoinnissa, jotta kokonaishyötysuhde säilyy korkealla tasolla (0.50-0.80). Tämän työn tulokset selittävät perimmäisiä syitä kiteytymiskäyttäytymisen muutoksessa 1.2*Tg alapuolella, jotka mahdollistavat alijäähtymisen, lasisiirtymän ja kylmäkiteytymisen hyödyntämisen lämmön pitkäaikaiseen varastointiin ja tehokkaaseen purkuun. Lisäksi, tulokset varmistivat tämän menetelmän toteuttamiskelpoisuuden lämmön varastointijärjestelmissä, minkä vuoksi kylmäkiteytyvät materiaalit ovat potentiaalisia vaihtoehtoja lämmön tuotannon hiilijalanjäljen pienentämisessä.
Description
Supervising professor
Santasalo-Aarnio, Annukka, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
Thesis advisor
Seppälä, Ari, Dr., Aalto University, Finland
Laukkanen, Timo, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
thermal energy storage, phase change material, supercooling, glass transition, cold crystallization, lämmön varastointi, faasimuutosmateriaali, alijäähtyminen, lasisiirtymä, kylmäkiteytyminen
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Turunen, Konsta; Yazdani, Maryam Roza; Puupponen, Salla; Santasalo-Aarnio, Annukka; Seppälä, Ari. 2020. Cold-crystallizing erythritol-polyelectrolyte: Scaling up reliable long-term heat storage material. Applied Energy, 266, 114890.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202004282850
    DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.114890 View at publisher
  • [Publication 2]: Turunen, Konsta; Yazdani, Maryam Roza; Santasalo-Aarnio, Annukka; Seppälä, Ari. 2021. Exceptional cold-crystallization kinetics of erythritol-polyelectrolyte enables long-term thermal energy storage. Solar Energy Materials and Solar Cells, 230, 111273.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202108048223
    DOI: 10.1016/j.solmat.2021.111273 View at publisher
  • [Publication 3]: Turunen, Konsta; Mikkola, Valtteri; Laukkanen, Timo; Seppälä, Ari. 2023. Long-term thermal energy storage prototype of cold-crystallizing erythritol-polyelectrolyte. Applied Energy, 332, 120530.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202301181314
    DOI: 10.1016/j.apenergy.2022.120530 View at publisher
  • [Publication 4]: Turunen, Konsta; Shouzhuang, Li; Yazdani, Maryam Roza. 2022. Ionic mixture of binary sugar alcohols and polymer: Composition optimization for long-term thermal energy storage. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 10, 15508-15519.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202212146940
    DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c04764 View at publisher
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-1133-0
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG