VITES – Vacuum Insulated Thermal Energy Storage (TP0065)

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501690

Kurzbeschreibung (Englisch)

Today, thermal energy storages (TES) play an important role in the transition to low carbon, sustainable energy systems by coping with the mismatch between demand and availability of thermal energy from timely-based energy sources. One of the challenges for this technology lies in the reduction of the heat losses by increasing the quality of the insulation. The current technology state for hot water storages is conventional building insulation materials. For these latter, improving insulation ability is limited to their high conductivity properties and consequently, required large thickness. A possible solution is to use vacuum insulation.

This project aims to analyse the technical feasibility and the economic viability of a high performance, double-wall vacuum insulated thermal storage tank, designed to minimise heat losses. Applications for this product could be solar thermal systems integrated into industrial heating processes with temperatures up to 180 °C, but it can also be used for low temperature residential applications (e.g. up to 70°C) as well as in conjunction with other energy sources. The final objective is to provide an efficient, reliable and economic alternative to the existing insulated tank solutions for sensible thermal energy storage. This new concept is hereafter referred to as VITES and the feasibility determined for both industrial and residential applications.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Aujourd'hui, le stockage de l'énergie thermique (TES de l’anglais thermal energy storage) joue un rôle important dans la transition vers des systèmes énergétiques durables à faibles émissions de carbone en permettant de répondre au décalage entre la demande et la disponibilité de l'énergie thermique provenant de sources d'énergie variables dans le temps. L’un des défis pour cette technologie réside dans la réduction des pertes de chaleur en augmentant la qualité de l’isolation. Les technologies actuelles pour le stockage d'eau chaude utilisent des matériaux d'isolation conventionnelles pour le bâtiment. Pour ces derniers, l'amélioration de la capacité d'isolation se limite à leurs conductivités relativement élevées et nécessite également une grande épaisseur. Une solution possible est d'utiliser le vide d’air en lieu et place à une isolation classique.

Ce projet vise à analyser la faisabilité technique et la viabilité économique d'une cuve de stockage thermique à double paroi et à haute performance, isolé sous vide, conçu pour minimiser les pertes de chaleur. Les applications de ce produit pourraient être des systèmes solaires thermiques intégrés dans des procédés de chauffage industriel pour des températures allant jusqu’à 180 °C, mais il peut également être utilisé pour des applications résidentielles à basse température (par ex. jusqu’à 70 °C) ainsi qu'en combinaison avec d'autres sources d'énergie. L'objectif final est d'offrir une alternative efficace, fiable et économique aux solutions de cuves isolées existantes pour le stockage de l'énergie thermique sous forme de chaleur sensible. Ce nouveau concept est ci-après dénommé VITES et la faisabilité déterminée pour les applications industrielles et résidentielles.

Schlussbericht (Englisch)

Today, thermal energy storages (TES) play an important role in the transition to low carbon, sustainable energy systems by coping with the mismatch between demand and availability of thermal energy from timely-based energy sources. One of the challenges for this technology lies in the reduction of the heat losses by increasing the quality of the insulation. The current technology state for hot water storages is conventional building insulation materials. For these latter, improving insulation ability is limited to their high conductivity properties and consequently, required large thickness. A possible solution is to use vacuum insulation.

This project aims to analyse the technical feasibility and the economic viability of a high performance, double-wall vacuum insulated thermal storage tank, designed to minimise heat losses. Applications for this product could be solar thermal systems integrated into industrial heating processes with temperatures up to 180 °C, but it can also be used for low temperature residential applications (e.g. up to 70°C) as well as in conjunction with other energy sources. The final objective is to provide an efficient, reliable and economic alternative to the existing insulated tank solutions for sensible thermal energy storage. This new concept is hereafter referred to as VITES and the feasibility determined for both industrial and residential applications. The VITES concept has some specific features when compared to other approaches of vacuum insulation for TES:

• no filling material in the evacuated gap between inner and outer tank to suppress conduction heat transfer
• copper coating on the walls of the evacuated gap to reduce longwave radiation exchange between the walls
• a special device to maintain the high vacuum in the gap (less than 0.001 mbar)
• customised spacers and supports to reduce thermal conduction between inner and outer tank

In order to carry out this study, the following activities were performed:

• literature review of the state of the art of TES systems and review of existing research on vacuum insulated tank technology and applications
• structural analysis of the designed VITES concept
• thermal analysis of the VITES concept
• thermal performance analysis for industrial heating processes and residential applications economic analysis and integrated market position

The literature review indicates that despite an important research activity to improve TES heat losses, the concept of no-filling evacuated annular gap investigated in this project has not yet been fully considered elsewhere. Suitable designs of double-wall vacuum insulated TES were then investigated, the final design evolved from a number of considerations. Externally, VITES resembles existing conventional insulated TES on the market in an attempt to minimise investment costs while internally it presents a number of key components designed to reduce heat losses.

This work was followed by a structural analysis to validate the proposed design and ensure conformity to high temperature applications. The final design was then thermally investigated to assess the impact of low emissivity coatings on the radiative heat transport in the evacuated gap. An estimation of the thermal bridges from piping connections, fittings and stability spacers was also conducted. The effect of moisture on the insulation ability of conventional materials was also used for comparison purposes. To maintain and inspect the vacuum, an existing, patented and compact getter pump was chosen based on well-proven technology.

All these studies have allowed positioning the VITES concept in the actual TES market for future deployment considerations. A numerical model of the tank was subsequently developed and the thermal behaviour investigated under different operating conditions. An evaluation of the investment cost of the VITES concept was also performed and comparisons were made with conventional insulated TES on the market. Finally, economic considerations in the form of a payback time calculation presented the investment attractiveness with respect to the common TES alternatives on the market. 

Overall, the VITES concept is clearly viable not only in terms of technical feasibility but also in terms of economic practicality. From this study, the following technical parameters can be summarised:

• tank made of AISI 304L
• maximum operating pressure 16 bar
• maximum operating temperature 180 °C
• standard capacities up to 10 m³
• for higher capacities possibility to use multiple tanks
• -vacuum insulation level (less than 0.001 mbar)
• getter pump to inspect and maintain vacuum level (20 years warranty)
• thermal bridges less than 15% of the overall tank losses (at 160°C)
• heat losses: 25 W/m² at 160 °C and 9 W/m² at 90 °C
• specific cost: 13500 to 5000 CHF/m³ for 1 to 10 m³
• storage capacity cost: 130 to 47 CHF/kWh for 1 to 10 m³

Zugehörige Dokumente

• Final Report [PDF] 6'319 kB

Schlussbericht (Französisch)

Aujourd'hui, le stockage de l'énergie thermique (TES de l’anglais thermal energy storage) joue un rôle important dans la transition vers des systèmes énergétiques durables à faibles émissions de carbone en permettant de répondre au décalage entre la demande et la disponibilité de l'énergie thermique provenant de sources d'énergie variables dans le temps. L’un des défis pour cette technologie réside dans la réduction des pertes de chaleur en augmentant la qualité de l’isolation. Les technologies actuelles pour le stockage d'eau chaude utilisent des matériaux d'isolation conventionnelles pour le bâtiment. Pour ces derniers, l'amélioration de la capacité d'isolation se limite à leurs conductivités relativement élevées et nécessite également une grande épaisseur. Une solution possible est d'utiliser le vide d’air en lieu et place à une isolation classique.

Ce projet vise à analyser la faisabilité technique et la viabilité économique d'une cuve de stockage thermique à double paroi et à haute performance, isolé sous vide, conçu pour minimiser les pertes de chaleur. Les applications de ce produit pourraient être des systèmes solaires thermiques intégrés dans des procédés de chauffage industriel pour des températures allant jusqu’à 180 °C, mais il peut également être utilisé pour des applications résidentielles à basse température (par ex. jusqu’à 70 °C) ainsi qu'en combinaison avec d'autres sources d'énergie. L'objectif final est d'offrir une alternative efficace, fiable et économique aux solutions de cuves isolées existantes pour le stockage de l'énergie thermique sous forme de chaleur sensible. Ce nouveau concept est ci-après dénommé VITES et la faisabilité déterminée pour les applications industrielles et résidentielles. Le concept VITES présente des caractéristiques spécifiques par rapport à d'autres approches d'isolation sous vide pour les TES :

• pas de matériau de remplissage dans l'espace sous vide entre la cuve intérieur et la cuve extérieur pour supprimer le transfert de chaleur par conduction
• revêtement de cuivre sur les parois de l'espace sous vide pour réduire l'échange de rayonnement infrarouge entre les parois
• un dispositif spécial pour maintenir le vide élevé dans l'espace entre la cuve intérieur et la cuve extérieur (moins de 0.001 mbar)
• entretoises et supports sur mesure pour réduire la conduction thermique entre l'intérieur et l'extérieur de la cuve.

Afin de mener à bien cette étude, les activités suivantes ont été réalisées :

• recherche bibliographique sur l'état de l'art des systèmes TES, études et applications
• analyse structurelle du concept VITES
• analyse thermique du concept VITES
• l'analyse des performances thermiques pour les procédés de chauffage industriels et les applications résidentielles
• analyse économique et positionnement au sein du marché.

La revue bibliographique indique qu'en dépit d'une importante activité de recherche visant à améliorer les pertes de chaleur des TES, le concept de l’isolation sous vide sans matériaux de remplissage n'a pas encore été entièrement étudié. Des conceptions appropriées de TES à double paroi isolées sous vide ont été étudiées. La conception de la cuve VITES a évolué en prenant en compte différentes considérations. Sur le plan externe, VITES ressemble aux cuves conventionnels existants sur le marché dans le but de minimiser les coûts d'investissement tout en présentant en interne un certain nombre de composants clés destinés à réduire les pertes de chaleur.

Ces travaux ont été suivis d'une analyse structurelle pour valider la conception proposée et assurer la conformité aux applications à haute température. La conception finale a ensuite fait l'objet d'une étude thermique afin d'évaluer l'impact des revêtements à faible émissivité sur les pertes radiatives dans l'espace sous vide. Une estimation des ponts thermiques de la tuyauterie, des raccords et des entretoises a également été effectuée. Une amélioration de la conception de ces composants a été effectuée permettant ainsi une réduction considérable des ponts thermiques. L'effet de l'humidité sur la capacité d'isolation des matériaux conventionnels a également été utilisé à des fins de comparaison. Pour maintenir et garantir le vide, une pompe getter, déjà brevetée et compacte a été choisie sur la base d'une technologie éprouvée.

Une évaluation du coût d'investissement du concept VITES a également été réalisée et des comparaisons ont été effectuées avec les TES commercialisés munis d'isolations conventionnelles. Cela a permis de positionner le concept VITES sur le marché actuel des TES en vue d'un déploiement futur. Un modèle numérique de la cuve a été développé et le comportement thermique a été étudié dans différentes conditions de fonctionnement. Une évaluation du coût d'investissement du concept VITES a également été réalisée et des comparaisons ont été effectuées avec les TES munis d'isolations conventionnelles disponibles sur le marché. Enfin, des aspects économiques sous la forme d'un calcul du temps de retour sur investissement ont présenté l'attrait par rapport aux solutions de stockage conventionnels disponibles sur le marché.

Dans l'ensemble, le concept VITES est clairement viable non seulement en termes de faisabilité technique, mais également en termes de viabilité économique. De cette étude, les paramètres techniques suivants peuvent être résumés :

• réservoir en AISI 304L
• pression de service maximale 16 bar
• température maximale de fonctionnement 180 °C
• capacité standard jusqu'à 10 m³.
• pour des capacités plus élevées, possibilité d'utiliser plusieurs cuves
• -niveau d'isolation sous vide (inférieur à 0.001 mbar)
• pompe getter pour inspecter et maintenir le niveau de vide (garantie 20 ans)
• ponts thermiques inférieurs à 15% des pertes totales de la cuve (à 160°C)
• pertes de chaleur : 25 W/m² à 160 °C et 9 W/m² à 90 °C
• coût spécifique : 13500 à 5000 CHF/m³ pour 1 à 10 m³
• coût de la capacité de stockage : 130 à 47 CHF/kWh pour 1 à 10 m³