Stoccaggio di Calore e Freddo con PCM (Materiali a Cambiamento di Fase) - Materiali con Struttura di Fase Variabile (Liquido - Solido)

 

I Materiali a Cambiamento di Fase (PCM) sono progettati per assorbire e rilasciare grandi quantità di energia termica a temperature costanti. Oltre 30 PCM ad alte prestazioni organici (ATP) e inorganici (ATS) coprono temperature che vanno da -40°C a 120°C. Ulteriori temperature di fusione possono essere sviluppate per applicazioni specifiche su richiesta!

Le caratteristiche chiave dei PCM includono:

• Alte capacità di stoccaggio del calore
• Prestazioni coerenti e ripetibili su migliaia di cicli termici
• Manipolazione semplice e sicura

Prodotto da risorse rinnovabili, non tossico e biodegradabile.

I PCM sono disponibili in un involucro speciale sotto forma di macrocapsule con un rapporto superficie-massa ottimizzato per uno scambio di energia più rapido e una migliore performance nelle applicazioni pratiche.

Soluzione Innovativa per Aumentare la Capacità di Stoccaggio

 

  

Gamma di Temperature di Cambiamento di Fase per PCM

Fondamenti della Tecnologia di Stoccaggio di Calore Latente

È risaputo che nell'odierno mondo, l'utilizzo efficiente dell'energia riveste un ruolo sempre più importante. Il nostro mondo ha sviluppato l'abitudine di avere abbastanza energia "su richiesta" da risorse finite (petrolio, carbone, ecc.) o da modelli sempre più obsoleti (energia nucleare). Tuttavia, questo lusso gravava sull'ambiente: richiede ingiustamente grandi riserve energetiche, aumenta le emissioni di CO2 e impone ulteriori oneri all'ambiente a causa della produzione, del trasporto e dello smaltimento di queste fonti energetiche. Ci fornisce abbastanza energia, ma il problema è che spesso domanda e offerta non sono bilanciate nel tempo. Tali differenze possono essere misurate da minuti (ad esempio, nella produzione) a ore.

È diverso nel caso della domanda di energia termica solare, che viene fornita durante il giorno ma è sottoutilizzata, aumentando drasticamente di notte. Qui entra in gioco la questione dello stoccaggio, ad esempio, nel cambiamento di fase. Importanti applicazioni del cambiamento di fase si possono trovare nelle celle a combustibile, nelle pompe di calore, nelle centrali di cogenerazione e altre. Lo stoccaggio è cruciale a causa delle numerose fonti di energia variabili (termiche, elettriche) che sono emerse a seguito della riforma energetica. La seguente prospettiva si concentra particolarmente sullo stoccaggio di energia termica.

Tecnologia di Stoccaggio di Calore Latente PCM

Lo stoccaggio latente si basa sul principio dei cambiamenti di fase di un materiale adatto (PCM => materiale a cambiamento di fase). Se questo materiale è in uno stato solido (cristallino) e gli viene fornita energia termica, la temperatura del PCM aumenta fino a quando inizia a fondere. Questo è il punto in cui inizia il cambiamento di fase. Durante questo processo, i legami intermolecolari vengono spezzati termicamente, facendo liquefare il PCM. Da questo punto in poi, il PCM inizia ad assorbire energia termica senza aumentare la sua temperatura. L'energia termica viene immagazzinata sotto forma di calore latente. Questa energia immagazzinata può essere scaricata (il materiale si solidifica di nuovo) quando la temperatura circostante diminuisce, rilasciando l'energia immagazzinata sotto forma di calore sensibile (aumento di temperatura).

La tecnologia PCM non è solo una tecnologia chiave per le fonti di energia rinnovabile (ad esempio, solare, eolica), ma può anche essere utilizzata efficacemente in combinazione con sistemi di generazione di energia (ad esempio, unità di cogenerazione, pompe di calore, recupero di calore residuo, ecc.) e conversione energetica (ad esempio, riscaldamento, raffreddamento, essiccazione, ecc.). I PCM sono principalmente utilizzati nei cosiddetti accumulatori di calore latente, che sono dispositivi per immagazzinare e rilasciare calore. Ciò li rende uno strumento ideale per allineare l'offerta e la domanda nella gestione dell'energia. Il vantaggio economico di questo sistema è che la quantità di energia immagazzinata non dipende direttamente dal volume, ma principalmente dall'entalpia del cambiamento di fase del materiale utilizzato (kJ/kg). Ciò consente di immagazzinare o rilasciare una grande quantità di energia in uno spazio ridotto con una quantità relativamente piccola di materiale. Il vantaggio della tecnologia PCM è che consente l'integrazione dello stoccaggio di energia nei processi esistenti (ad esempio, costruzione di edifici), riducendo o evitando investimenti aggiuntivi nell'infrastruttura. Gli accumulatori PCM possono essere utilizzati per ottimizzare il funzionamento dei dispositivi termici, aumentare l'efficienza, ridurre il consumo energetico e le emissioni di CO2.

ATP - Paraffine

• Disponibile in vari intervalli di temperatura
• Cicli stabili
• Integrabile
• Capacità di stoccaggio > 70 Wh/kg (250 kJ/kg)
• Bassa sensibilità al calore (0,5 Wh/kg - K)
• Debole o assenza di raffreddamento
• Bassa densità (circa 0,74 kg/l)
• Bassa densità di stoccaggio 50 Wh/l (185 kJ/l)
• Bassa conducibilità termica (0,2 - 0,4 W/m - K)
• Infiammabile

ATE - Esteri

• Disponibile in più intervalli di temperatura
• Ciclo stabile
• Integrabile
• Capacità di stoccaggio > 60 Wh/kg (220 kJ/kg)
• Bassa sensibilità al calore (0,5 Wh/kg - K)
• Debole o assenza di raffreddamento
• Bassa densità (circa 0,84 kg/l)
• Bassa densità di stoccaggio 50 Wh/l (185 kJ/l)
• Bassa conducibilità termica (0,2 - 0,4 W/m - K)
• Infiammabile, ma temperatura di accensione leggermente più alta

ATS / PKS - Sali e Idrati di Sale

• Disponibile in intervalli di temperatura selezionati
• Ciclo stabile
• Capacità di stoccaggio 40 - 90 Wh/kg (180 - 320 kJ/kg)
• Maggiore sensibilità al calore (0,8 - 1 Wh/kg - K)
• Basso raffreddamento
• Alta densità (1 - 1,7 kg/l)
• Alta densità di stoccaggio 60 - 90 Wh/l (200 - 320 kJ/l)
• Maggiore conducibilità termica (0,4 - 0,6 W/m - K)
• Non infiammabile

Principali Temperature di Cambiamento di Fase PCM

HeatStixx e HeatSel sono disponibili per varie temperature di cambiamento di fase. Ciò include un'ampia gamma di applicazioni e possibilità di immagazzinamento di calore e freddo. Il diagramma sotto mostra i nostri materiali più popolari.

Come Selezionare la Giusta Temperatura di Cambiamento di Fase per PCM

Il cambiamento di fase avviene sempre a una temperatura specifica. Tuttavia, per ottenere ciò, deve esserci una specifica diminuzione di temperatura dal mezzo di trasferimento del calore al PCM, cioè dalla temperatura ambiente alla temperatura di cambiamento di fase.

Questo è importante sia per il consumo energetico che per la produzione. Pertanto, la temperatura di cambiamento di fase del PCM dovrebbe essere scelta tra la temperatura minima e massima del sistema in ogni punto del funzionamento del sistema.

Se solitamente si opera il serbatoio a temperature da 40°C a 60°C, la temperatura ottimale del PCM dovrebbe essere intorno ai 50°C.

Il serbatoio continuerà quindi a scaricarsi a 40°C e si caricherà completamente a 60°C, ma questo processo richiederà molto più tempo. Ciò consente di immagazzinare significativamente più energia.

Installazione nel serbatoio HeatStixx attraverso un collegamento da 1½"
Opzioni di applicazione: In serbatoi di stoccaggio più piccoli, sistemi di riscaldamento standard, abitazioni private, serbatoi fino a 1000 litri, così come nell'ottimizzazione dei serbatoi esistenti
Applicazioni potenziali: Stoccaggio a freddo, stoccaggio di calore

Opzioni di applicazione: In grandi serbatoi di stoccaggio del calore HeatSel fino a 2000 litri e nei serbatoi HeatSelXL fino a 20000 litri, opzionalmente anche per serbatoi esistenti.
Applicazioni potenziali: Stoccaggio a freddo, stoccaggio di calore.

Caricamento e Scaricamento del Serbatoio Ammortizzatore PCM - Temperatura di Fusione 58°C

Quanta Potenza Termica Puoi Utilizzare?

Quando il serbatoio è completamente carico, la quantità di capacità termica che puoi estrarre o immagazzinare nel serbatoio è limitata da tre variabili:

• La differenza di temperatura tra la temperatura di cambiamento di fase e la temperatura di ritorno del sistema
• La dimensione del tuo serbatoio di stoccaggio
• Il flusso volumetrico del sistema

Nel diagramma delle prestazioni, puoi vedere i dati di output che puoi raggiungere o immagazzinare.

Esempio di applicazione di riscaldamento:

• Dimensione del serbatoio di stoccaggio: 600 l
• Flusso volumetrico 900 l/h
• Rapporto tra flusso volumetrico e dimensione del serbatoio: 1,5
• Temperatura di cambiamento di fase del PCM: 58 °C
• Temperatura di ritorno al serbatoio: 53 °C
• Delta 5 K: Linea blu sul diagramma
• Ciò si traduce in un'uscita continua possibile di circa 9,8 kW

Inoltre, è importante non superare un rapporto tra flusso volumetrico e dimensione del serbatoio di 1,5 per ottenere un'uscita continua. Naturalmente, possono essere raggiunti anche output più elevati in poco tempo, ad esempio, attraverso stazioni di acqua calda domestica.

Applicazioni dello Stoccaggio di Calore PCM

• Stoccaggio di calore
• Stoccaggio a freddo
• Sistemi di pompe di calore
• Sistemi di cogenerazione (CHP)

Ottimizzazione del Funzionamento della Pompa di Calore

• Consente l'uso delle tariffe SmartGrid
• Combina il tempo di inattività della pompa di calore
• Aumenta l'efficienza della pompa di calore

Kraft Boxx Heat Center

 

 

 

 

1. Circuito di riscaldamento a circolazione - Gruppo pompa per miscelare - Circuiti di riscaldamento, potenza fino a 45 kW
2. Stazione di acqua dolce - 3 modelli fino a 41 l/min
3. Alimentazione al calore - Stazione elettrotermica
4. Macro capsule con PCM - immagazzinamento di calore latente

Vantaggi dello Stoccaggio PCM

• Aumento della capacità di stoccaggio - Da 3 a 4 volte senza modificare il volume (soluzioni di retrofit disponibili)
• Riduzione del volume del serbatoio - Fattore di 3-4 con capacità stabile (e requisiti di spazio minimi)
• Riduzione dei costi operativi - Riduzione dei valori di picco (in relazione alla potenza nominale) per utilizzare tariffe elettriche più economiche (ad esempio, tariffe notturne) e fornitura interna
• Aumento dell'efficienza - Il livello costante della temperatura alza il coefficiente COP e riduce le perdite di calore (costi operativi - 40%!) e consente l'installazione di dispositivi di riscaldamento e raffreddamento più piccoli.
• Estensione del ciclo di vita del prodotto - Funzionamento continuo a livelli ottimali riducendo le fasi di lavoro, incluso il tempo di inattività prolungato e minimizzando gli sforzi di manutenzione del sistema
• Elaborazione semplificata - Trasformando i picchi di temperatura in cambiamenti di fase, si ottengono livelli coerenti di temperature di carica e scarica e la possibilità di utilizzo come interruttore termico.

 

Progetto di Cogenerazione - CHP

Obiettivo: Minimizzare le dimensioni del serbatoio ammortizzatore per una rete di teleriscaldamento locale più piccola servita da un'unità di cogenerazione.

• Capacità di stoccaggio richiesta 5,5 m³ di volume d'acqua.
• Rete di teleriscaldamento locale in inverno con un'offerta di 55°C e un ritorno di soluzione di 45°C

Soluzione: Ridurre la capacità del serbatoio del 30% rispetto a un serbatoio ammortizzatore convenzionale di dimensioni selezionate 2500 litri.

 

Progetto di Pompa di Calore

Obiettivo: Massimizzare la capacità del serbatoio ammortizzatore della pompa di calore per aumentare la flessibilità operativa.

• Capacità 300 l
• Raffreddamento dell'intero volume da 60°C a 50°C

Soluzione: Aumentare la capacità di stoccaggio del 258%.

Progetto di Serbatoio di Stoccaggio a Freddo

Obiettivo: Minimizzare il volume del serbatoio di stoccaggio a freddo di acqua/glicole.

• Capacità 8000 l
• Intervallo di temperatura da -5°C a 5°C

Soluzione: Facile implementazione del serbatoio di stoccaggio a freddo senza costosi scambiatori di calore e lavori di costruzione e minimizzazione della capacità di stoccaggio a 2000 l, che corrisponde al 25% del volume originale.

Conclusioni

Lo stoccaggio termico con materiali a cambiamento di fase (PCM) offre un'importante soluzione per la gestione efficiente dell'energia, consentendo di immagazzinare e rilasciare grandi quantità di energia termica in modo controllato e sostenibile. Questa tecnologia è fondamentale per sfruttare al massimo le fonti di energia rinnovabile, ridurre i costi operativi, aumentare l'efficienza dei sistemi energetici e contribuire alla riduzione delle emissioni di carbonio.

Con una vasta gamma di materiali PCM disponibili per una varietà di temperature di cambiamento di fase, è possibile adattare la tecnologia PCM a una vasta gamma di applicazioni, tra cui stoccaggio di calore, stoccaggio a freddo, sistemi di pompe di calore e sistemi di cogenerazione.

Le applicazioni pratiche mostrano come lo stoccaggio termico PCM possa essere utilizzato per ottimizzare le operazioni di riscaldamento, raffreddamento e cogenerazione, riducendo i costi operativi, migliorando l'efficienza e prolungando la vita utile dei sistemi energetici.

In sintesi, l'utilizzo di materiali PCM per lo stoccaggio termico rappresenta un passo importante verso un futuro energetico più sostenibile e efficiente.