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

Simple item page
dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorSeppälä, Ari, Dr., Aalto University, Finland
dc.contributor.advisorLaukkanen, Timo, Dr., Aalto University, Finland
dc.contributor.authorTurunen, Konsta
dc.contributor.departmentKonetekniikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Mechanical Engineeringen
dc.contributor.labEnergy Conversion and Systemsen
dc.contributor.schoolInsinööritieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Engineeringen
dc.contributor.supervisorSantasalo-Aarnio, Annukka, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.date.accessioned2023-02-23T10:00:07Z
dc.date.available2023-02-23T10:00:07Z
dc.date.defence2023-03-10
dc.date.issued2023
dc.description.abstractThermal 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.en
dc.description.abstractLämmön 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.fi
dc.format.extent84 + app. 58
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-1133-0 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-1132-3 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/119825
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-1133-0
dc.language.isoenen
dc.opnChiu, Justin, Prof., KTH Royal Institute of Technology, Sweden
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.haspart[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
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL THESESen
dc.relation.ispartofseries12/2023
dc.revChiu, Justin, Prof., KTH Royal Institute of Technology, Sweden
dc.revHoujou, Hirohiko, Prof., University of Tokyo, Japan
dc.subject.keywordthermal energy storageen
dc.subject.keywordphase change materialen
dc.subject.keywordsupercoolingen
dc.subject.keywordglass transitionen
dc.subject.keywordcold crystallizationen
dc.subject.keywordlämmön varastointifi
dc.subject.keywordfaasimuutosmateriaalifi
dc.subject.keywordalijäähtyminenfi
dc.subject.keywordlasisiirtymäfi
dc.subject.keywordkylmäkiteytyminenfi
dc.subject.otherEnergyen
dc.subject.otherMechanical engineeringen
dc.titleLong-term thermal energy storage with cold-crystallizing materials - Method, properties and scale-upen
dc.titlePitkäaikainen lämmön varastointi kylmäkiteytyvillä materiaaleilla: Menetelmä, ominaisuudet ja skaalausfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2023-05-23_1215
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2023_02_23_klo_10_09
local.aalto.infraOtaNano - Nanomicroscopy Center
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526411330.pdf
Size:
5.24 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download
Collections
[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG