Schlüsselwörter
(Englisch)
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Magneto-caloric effect, thermomagnetic generator, thermal energy, electrical energy, ferromagnetic materials, industrial waste heat
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das Projekt hat den Bau eines Prototyps einer magneto-kalorischen Kraftmaschine zur Technologie- und Konzepterprobung in einem industriellen Umfeld zum Ziel. Der Prototyp mit einer geplanten Leistung von ca. 1.5 ÷ 3.5 kW soll mindestens 5'000 h im Dauerbetrieb laufen inkl. Aufzeichnung der möglichen Stromproduktion. Ziel ist es, aufzuzeigen, dass mit dieser Technologie elektrische Energie aus "wertloser" industrieller Abwärme (<100 °C) gewonnen werden kann.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The project contains development and construction of a magneto-caloric engine prototype for proof of technology and proof of concept in industrial environment. The prototype with a proposed output of approx. 1.5 ÷ 3.5 kW should run continuously during at least 5'000 h. During this time the amount of produced energy will be recorded. The objective is a proof of technology and to demonstrate that it is possible to generate electrical power from industrial waste heat (<100 °C) in industrial environment.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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In diesem Bericht wird der Stand der Arbeiten im BFE Forschungsprojekt "Industrietauglicher Prototyp einer magnetokalorischen Kraftmaschine zur Stromerzeugung" dokumentiert.
Seit Projektbeginn Anfang Oktober wurden in einer Konzeptphase die notwendigen Grundlagen erarbeitet und Konzepte für die einzelnen Baugruppen einer magnetokalorischen Kraftmaschine erstellt. Es wurde daraufhin mit der Konstruktion des MKK Prototypen begonnen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Heiniger,K. C.
Wymann,Daniel
Wildi,Patrik
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Trotz grossem Marktpotential, gibt es bisher noch keine kommerzielle Maschine, welche Niedertemperaturabfallwärme nach dem thermomagnetischen Prinzip in elektrische Energie umwandeln kann. Deshalb wurde in diesem Projekt – ausgehend von einer kleinen, bereits bestehenden Versuchsanlage der Swiss Blue Energy AG – der Bau eines industrietauglichen Prototyps mit einer Nennleistung von 1 kW bis 3 kW angestrebt. Dazu sind die bestehende Versuchsanlage analysiert und Konzepte für einen Prototyp mit grundsätzlich gleicher Technologie, d.h. noch ohne Wirkungsgradziel, erarbeitet worden. Eine zentrale Rolle spielte dabei der “thermische Schalter”, bestehend aus dem magnetokalorischen (“thermomagnetisch schaltenden”) Material und der Fähigkeit, das Material möglichst effizient erhitzen und kühlen zu können. Verglichen und evaluiert worden sind die verschiedenen Konzepte durch ein eigens erstelltes Berechnungsmodell zur Bestimmung von Leistung und Wirkungsgrad. Nach dem Abschluss der Konzeptphase wurde einerseits der Bau des Prototyps vorangetrieben und anderseits mit nationalen und internationalen Partnern ein optimal geeignetes thermomagnetisches Material gesucht. Dieses konnte während dem Projekt noch nicht eindeutig bestimmt werden, weshalb im Prototyp – analog zur Versuchsanlage – schliesslich wieder Gadolinium verbaut worden ist. Aufgrund laufender Optimierungen konnten zum Zeitpunkt des Projektabschlusses erst Tests mit einer halbbestückten Maschine gemacht werden (50% Segmente in Betrieb). Ein Betrieb und das Erzielen von Messresultaten ist damit bei verminderter Leistung möglich. Gegenüber der ersten Versuchsanlage (Demonstrator) zeigen die mit der teilbestückten Maschine erzielten Messresultate eine Leistungssteigerung um Faktor 1.75 pro Magnetspalt, was einer Gesamtleistung von 680 W (mit Teilbestückung) entspricht. Dafür musste zwar der Kaltwasservolumenstrom um 86% erhöht werden, der Warmwasservolumenstrom jedoch lediglich um 20%. Bei vollbestückter Anlage darf somit mit einer Gesamtleistung von 1.2 kW bis 1.4 kW gerechnet werden. Der isentrope Wirkungsgrad konnte gegenüber dem Demonstrator um den Faktor 5 verbessert werden, obwohl die Verbesserung des Wirkungsgrades zu keinem Zeitpunkt dieses Projekts im Fokus stand. Das Mindestleistungsziel wird somit erreicht, womit ein erster grosser Schritt in die kommerzielle Nutzung der Abfallwärme getan sein wird.
Die laufenden Optimierungen und umfassenden Messreihen sollten bald abgeschlossen werden können, womit anschliessend die Erprobung der Industrietauglichkeit während 5'000 Betriebsstunden in einem Zementwerk in Angriff genommen werden kann.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Institut für Thermo- und Fluid Engineering
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Heiniger,K. C.
Wymann,Daniel
Brunner,Raphael
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Despite its market potential, there is hitherto no commercially available machine for thermo-magnetically converting low grade thermal “waste” energy into high grade electrical energy. Hence the motivation for this project which – based on a small, already existing, experimental facility built by Swiss Blue Energy AG – aims at developing and manufacturing an industrial scale prototype with a nominal output power in the range between 1 kW to 3 kW. In order to narrow down the task, the first prototype was determined to be based on the same technology as the existing experimental facility and, in addition, not yet given any specific thermal efficiency requirements. Consequently the existing machine was analysed and concepts for achieving a larger scale devised. Of crucial importance for optimal performance on a large scale is the “thermal switch” consisting of the magnetocaloric (“thermo-magnetically switching”) material and the ability to efficiently transfer heat in and out of that material. Evaluating the different concepts involved working out a mathematical model of the underlying physics for determining machine output power and thermal efficiency. After completing the conceptual phase a two-tier approach of designing and building the prototype in detail, and selecting the best possible thermo-magnetic material, was taken. Although promising materials exist, they are still under development and not yet available in the necessary quantity and quality. Therefore the prototype presently uses Gadolinium (Gd), i.e. just as in Swiss Blue Energy’s small scale machine. At the project’s end date only half of the final number of segments were available for operating the machine. This is mainly due to the typical learning curve and subsequent evolutional adaptations occurring during the development of a prototype. When compared to Swiss Blue’s first experimental facility (demonstrator), the measurement results obtained with the partial segment assembly reveal a 75 % increase in power output per magnet gap, giving an overall (partial assembly) power output of 680 W. Although this required increasing the cold water volume flow by 86% the required hot water flow increased by only 20%. Compared to the demonstrator, the isentropic efficiency was increased by a factor of 5, despite the project having no specific efficiency targets. Extrapolating the measurements to the full number of segments shows that a power output of 1.2 kW to 1.4 kW will be reached, consequently fulfilling the power output target and concluding a first major step in the commercial use of thermal “waste” energy by thermo-magnetic means.
Once the presently running optimisations and in depth characterisation measurements have been completed, the prototype will be ready for testing and judging of its industrial ability during 5’000 hours of operation in a cement plant.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Institut für Thermo- und Fluid Engineering
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Heiniger,K. C.
Wymann,Daniel
Brunner,Raphael
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Schlussbericht
(Französisch)
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En dépit d’un important marché potentiel, il n’existe pour l’instant aucune machine commercialisable qui puisse convertir en énergie électrique la chaleur résiduelle à basse température selon le principe thermomagnétique. C’est pourquoi, dans le prolongement d’une petite station d’essai de Swiss Blue Energy AG actuellement en fonction, on ambitionne dans le présent projet de construire un prototype industrialisable d’une puissance nominale de 1 à 3 kW. Dans ce but, on a analysé la station d’essai actuelle et développé des concepts pour un prototype basé sur la même technologie, sans viser un degré d’efficacité pour l’instant. L’“appareil de réglage thermique”, avec sa constitution en matériaux magnétocaloriques (à transitions thermomagnétiques) et sa capacité à chauffer et refroidir le matériau le plus efficacement possible, a joué ici un rôle central. Les différents concepts ont été comparés et évalués à travers un modèle de calcul spécifiquement élaboré pour déterminer la puissance et le degré d’efficacité. A l’issue de la phase de conception, on a d’une part poursuivi la construction du prototype, et d’autre part, on a recherché avec des partenaires nationaux et internationaux un matériau thermomagnétique optimal. Celui-ci n’a pas pu être déterminé au cours du projet, c’est la raison pour laquelle on a finalement à nouveau utilisé du gadolinium dans le prototype, comme dans la station d’essai. Du fait des optimisations en cours, les tests qui ont été réalisés au moment de la clôture du projet n’ont pu être faits qu’avec une machine à demi équipée (50% des segments en fonctionnement). Il est possible d’obtenir un fonctionnement et des résultats de mesure avec une machine partiellement équipée et à puissance réduite. En comparaison de la première station d’essai (le démonstrateur), les résultats de mesure obtenus avec un équipement partiel montrent une augmentation de puissance de 75% par fente magnétique, ce qui correspond à une puissance totale de 680W (sous équipement partiel). Pour cela, il a certes fallu augmenter le flux de volume d’eau froide de 86%, mais celui d’eau chaude de seulement 20%. En comparaison du démonstrateur, et bien que cette amélioration n’ait jamais été visée au cours de ce projet, le degré d’efficacité isentropique a pu être amélioré d’un facteur 5. Avec une installation entièrement équipée, on peut tabler sur une puissance totale de 1,2 à 1,4 kW. Il en résulte que l’objectif de puissance minimum sera atteint, ce qui permettra un grand pas dans l’utilisation commerciale de la chaleur résiduelle.
Dès que les optimisations en cours et les vastes séries de mesure seront achevées, on pourra lancer l’expérimentation appliquée à l’industrie durant 5000 heures de service dans une cimenterie.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Institut für Thermo- und Fluid Engineering
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Heiniger,K. C.
Wymann,Daniel
Brunner,Raphael
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