Experiments and Validated Models for Adsorption Thermal Energy Storage in Industrial and Residential Applications

Schreiber, Heike; Bardow, André; Schmitz, Gerhard

doi:10.18154/RWTH-2017-08146

Experiments and Validated Models for Adsorption Thermal Energy Storage in Industrial and Residential Applications = Experimentelle Untersuchungen und validierte Modelle eines thermischen Adsorptionsspeichers für Industrie- und Gebäudeheizprozesse

Schreiber, Heike

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Heike Schreiber

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Wissenschaftsverlag Mainz GmbH 2017

Umfang1 Online-Ressource (XVIII, 160 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95886-178-7

ReiheAachener Beiträge zur technischen Thermodynamik ; 10

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bardow, André (Thesis advisor) ; Schmitz, Gerhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-08146
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/699204/files/699204.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/699204/files/699204.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Institut für Thermodynamik (412110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
thermal storage (frei) ; heat storage (frei) ; adsorption TES (frei) ; Modelica model (frei) ; brewing process (frei) ; heat pump (frei) ; model validation (frei) ; model calibration (frei) ; dynamic simulation (frei) ; seasonal storage (frei) ; cogeneration (frei) ; batch process (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Thermische Energiespeicher leisten einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung: Sie ermöglichen die Flexibilisierung von Energiesystemen und die Einsparung von Primärenergie. Besondere Vorzüge haben Speichersysteme, die Adsorption zur Speicherung thermischer Energie nutzen: Sie bieten hohe Speicherdichten, können ein breites Temperaturspektrum bedienen und durch den Wärmepumpeneffekt Abwärmeströme in die Prozesswärmebereitstellung einbinden.Die vorliegende Arbeit betrachtet daher einen thermischen Adsorptionsspeicher, der zur Raum- und Prozesswärmebereitstellung genutzt werden kann. Zur energieeffizienten Bereitstellung von Prozesswärme für einen diskontinuierlichen Industrieprozess kann der Adsorptionsspeicher mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage kombiniert werden. Diese Anwendung wird im Rahmen dieser Arbeit mittels dynamischer Simulationen untersucht: Zur Evaluierung des Betriebsverhaltens des Speichers wird ein mathematisches Modell erstellt und mit Hilfe von vorhandenen Messdaten parametriert. In einer Simulationsstudie werden Alternativtechnologien, wie Spitzenlastkessel und thermische Phasenwechselspeicher, zur Einbindung der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage betrachtet und mit dem thermischen Adsorptionsspeicher hinsichtlich der erreichbaren Primärenergieeinsparung im Industrieprozess verglichen. Die Studie zeigt, dass durch Einsatz des Adsorptionspeichers bis zu 25 % Primärenergie eingespart werden kann. Dieses Einsparpotenzial wird erreicht, wenn beim Entladen ein Niedertemperaturwärmestrom aus dem Prozess vorhanden ist und beim Beladen Niedertemperaturwärme im Prozess benötigt wird.Methodisch zeigt die Studie auf, dass genaue Modelle, die insbesondere die Wärmeverluste und die Dynamik des Speichers präzise abbilden, unumgänglich sind für eine sorgfältige Bewertung des Speichernutzens. In einer experimentellen Studie werden die Wärmeverluste des Adsorptionsspeichers analysiert. Anschließend werden Speicherzyklen von der Kurzzeitspeicherung bis hin zur saisonalen Speicherung von thermischer Energie vermessen und die Leistungsfähigkeit des Speichers analysiert. Der Speicher erreicht eine Wärmerückgewinnungsrate von 69 % und eine Energiespeicherdichte von 20.4 kW h/$m^3$.Mit Hilfe weniger Wärmeverlustmessungen sowie einer Zyklusmessung wird das anfangs eingeführte Modell des Speichers verbessert und umfassend validiert. Das Modell erreicht eine -- im Vergleich zur Literatur sehr gute -- Vorhersagegenauigkeit für industrielle und Gebäudeheizanwendungen. Die vorliegende Arbeit bietet somit die Basis für zukünftige Systemanalysen und die Erschließung neuer Anwendungsfelder für thermische Adsorptionsspeicher.

Thermal energy storage (TES) helps to reduce energy consumption and peak demands by balancing heat supply and demand on all time scales from short-term to seasonal. Thus, TES is an important technology to improve flexibility and efficiency of energy systems. In particular, adsorption TES systems, which exploit the enthalpy of adsorption, provide high energy storage density and high efficiency.The present thesis therefore analyzes an adsorption TES unit for residential and industrial applications. Industrial energy supply can be made more efficient by integrating waste heat into the process heat supply and by using energy-efficient technologies. Adsorption TES contributes to both approaches: waste heat can be integrated via the heat pump effect and TES allows for energy-efficient cogeneration heat supply for batch processes.We evaluate the energy efficiency of the heat supply for an industrial batch process by adsorption TES and cogeneration. To evaluate the performance, a dynamic model of an adsorption TES unit is developed. Measurements from earlier experimental investigations of an adsorption TES unit are used to calibrate the storage model. As benchmark, a peak boiler and TES based on a phase-change material are considered. Our comparison demonstrates the significance of the process conditions for the choice of the appropriate technology. The study shows that adsorption TES offers significant potential to increase the energy efficiency: primary energy consumption can be reduced by up to 25 %. The key is the availability of low-grade heat at times of discharging and of a low-grade heat demand when charging the storage unit.The study reveals that a comprehensive evaluation of the storage performance requires dynamic models that precisely describe the storage performance and the heat losses in particular. The present thesis provides the basis with a new experimental setup to precisely characterize the adsorption TES unit. In an experimental analysis of the TES performance, we quantify the heat losses, the energy recovery ratio (69 - 91 %) and the energy storage density (20.4 kW h/$m^3$) of the adsorption TES unit for varying charging temperatures and storage times ranging from continuous operation to seasonal storage.The extensive experimental study provides the basis to improve our model of the adsorption TES unit. The model is calibrated to heat-loss measurements and a storage-cycle measurement. We quantify the simulation accuracy and validate the model with measurements at various process conditions. The model achieves a higher prediction accuracy than other models from literature. The thesis thus provides a basis for future investigations of energy systems to exploit the advantages of adsorption TES.

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