Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das Projekt HyTES «Optimierung hybrider saisonaler Wärmespeichersysteme mithilfe von Phasenwechselmaterialien» ermittelt unterirdische saisonale Wärmespeicher mit minimalen Gesamtsystemkosten für Mehrfamilienhäuser. Neue Speichersystemkonzepte mit makroverkapselten Phasenwechsel-materialien (PCM) werden erarbeitet und das Potential von PCMs bzgl. Kosten- und Volumenreduktion vom thermischen Energiespeichersystem wird ermittelt. Das zu untersuchende System besteht aus einem Hybridspeicher (Wasser und PCM) in Kombination mit einer PV-Anlage und einer Wärmepumpe. Um die genannten Punkte zu quantifizieren, werden bestehende Simulationsmodelle erweitert, optimiert und mit eigenen Messdaten experimentell validiert. Die Optimierung erfolgt auf Basis von Jahressimulationen, welche mit einem open-source Code gekoppelt sind, um die Levelized Cost of Energy Storage (LCOES) zu minimieren.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The project HyTES "Optimization of hybrid seasonal thermal energy storage (STES) systems using phase change materials" investigates underground STES systems with minimum total system costs for residential buildings. New storage concepts using macro-encapsulated phase change materials (PCMs) are developed and the potential of PCMs in terms of cost and volume reduction of the thermal energy storage system is determined. The system under investigation consists of a hybrid storage (water and PCM) in combination with a PV system and a heat pump. In order to quantify the above points, existing simulation models are extended, optimized and experimentally validated with own measurement data. The optimization is performed based on annual simulations coupled with an opensource code to minimize the Levelized Cost of Energy Storage (LCOES).
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Le projet HyTES « Optimisation des systèmes hybrides de stockage saisonnier de chaleur à l'aide de matériaux à changement de phase » identifie des systèmes souterrains de stockage saisonnier de chaleur présentant un coût global minimal pour les immeubles collectifs. De nouveaux concepts de systèmes de stockage utilisant des matériaux à changement de phase (PCM) macro-encapsulés sont développés et le potentiel des PCM en termes de réduction des coûts et du volume du système de stockage d'énergie thermique est évalué. Le système à étudier se compose d'un stockage hybride (eau et PCM) combiné à une installation photovoltaïque et à une pompe à chaleur. Afin de quantifier les points mentionnés, les modèles de simulation existants sont étendus, optimisés et validés expérimentalement à l'aide de données de mesure propres. L'optimisation est basée sur des simulations annuelles, qui sont couplées à un code open source afin de minimiser le coût actualisé du stockage de l'énergie (LCOES).
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Wer eine Photovoltaik-Anlage betreibt, kann den Eigenverbrauch mithilfe eines Batteriespeichers um typischerweise 10 – 20 % steigern. Solarstrom könnte aber noch anders zur Deckung des eigenen Energiebedarfs eingesetzt werden: Indem der Strom mit einer Wärmepumpe in Wärme umgewandelt und dann zwischengespeichert wird, bis diese zum Heizen und für das Warmwasser benötigt wird. Ein Forscherteam der Hochschule Luzern arbeitet an einem Wärmespeicher auf der Basis von Phasenwechselmaterialien, der auf diese Anwendung zugeschnitten ist.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Anyone who operates a photovoltaic (PV) system can typically use a battery storage system to increase the self consumption by 10–20%. But solar power could also be used in another way to cover personal energy needs: by converting the electricity into heat using a heat pump and storing it until it is needed for heat and hot water. A research team at the Lucerne University of Applied Sciences and Arts is working on a heat storage system based on phase change materials, specifically designed for this application.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Energiestrategie 2050 der Schweiz verlangt eine Erhöhung der Wärmeproduktion aus erneuerbaren Energien und den Ausbau der saisonalen Wärmespeicherung, um die Abhängigkeit vom Stromnetz zu verringern. Diese Studie befasst sich mit den Einschränkungen traditioneller solarthermischer und sai-sonaler Speichersysteme – wie der Beanspruchung des Wohnraums, zusätzlicher Sommerheizung und hohen Kosten – durch die Optimierung eines saisonalen hybriden Wärmespeichersystems. Die vorge-schlagene Lösung integriert ein vergrabenes hybrides thermisches Energiespeichersystem, das Wasser und verkapselte Phasenwechselmaterialien (PCM) verwendet, gekoppelt mit einem Photovoltaik-(PV)-System und einer Wärmepumpe (WP).
Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine thermische Selbstversorgung (SSth) von bis zu 85 % mit einem Speichersystem von etwa 8 m³ für ein Mehrfamilienhaus mit 20 Bewohnern erreicht werden kann, wäh-rend die Kosten angemessen bleiben. Jenseits dieser Kapazität steigen die Kosten und Volumina ex-ponentiell an. Bei einer SSth von unter 70 % sind die Systemkosten vergleichbar mit bestehenden Sys-temen, bieten jedoch ein deutlich besseres Globales Erwärmungspotenzial (GWP) als der Öl-Heizkes-sel als Vergleichsbasis. Die Maximierung der PV-Kapazität und die Wahl einer geeigneten WP sind als wesentliche Voraussetzungen für die Wirksamkeit der thermischen Energiespeicherung (TES) zur Ver-besserung der thermischen Selbstversorgung bestätigt worden. Insgesamt hebt die Studie die Notwen-digkeit von politischen Maßnahmen hervor, um erneuerbare Heizlösungen angesichts weiterhin kosten-günstiger fossiler Brennstoffe voranzutreiben. Diese Studie stellt erstmals ein umfassendes Modell für hybride sensible-latente thermische Energie-speicherung vor, das ein Fest Bett aus zufällig angeordneten PCM-Makrokapseln umfasst. Das Modell berücksichtigt Effekte auf verschiedenen Skalen, von der Schichtung im sensiblen Teil bis zu Schmelz-Kristallisationseffekten verschiedener Kapsel Geometrien, und betrachtet die Betriebsweise sowohl auf System- als auch auf Komponentenebene. Zudem wurde eine vollständige Optimierung durchgeführt, bei der techno-ökonomische und GWP-Analysen berücksichtigt wurden, um Pareto-Front-Lösungen zu ermitteln, die die Hauptkomponentengrößen und die interne Topologie des hybriden TES umfassen. Unsere Forschung unterstreicht die Machbarkeit und die Vorteile hybrider Systeme zur Erreichung der Ziele für erneuerbare Energien und zeigt erhebliche wirtschaftliche und ökologische Vorteile durch ein Modell, das sowohl in seiner Detailtiefe als auch in seinem Umfang überzeugt.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Switzerland's Energy Strategy 2050 mandates an increase in renewable energy-sourced heat produc-tion and the expansion of seasonal heat storage to reduce grid dependency. This study addresses the limitations of traditional solar thermal and seasonal storage systems, such as living space occupation, additional summer heating, and high costs, by optimizing a seasonal hybrid heat storage system. The proposed solution integrates a buried hybrid thermal energy storage system using water and encapsu-lated Phase Change Materials (PCM), coupled with a Photovoltaic (PV) system and a heat pump (HP). Our findings demonstrate that thermal self-sufficiency (SSth) of up to 85% is achievable with an ~8m³ storage system for a multifamily house with 20 inhabitants, while maintaining reasonable costs. Beyond this capacity, costs and volumes increase exponentially. For SSth below 70%, the system costs are comparable to the existing systems but offer a significantly better Global Warming Potential (GWP) than the oil boiler base case. Maximizing PV capacity and selecting an appropriate HP are confirmed as essential prerequisites for ensuring the effectiveness of Thermal Energy Storage (TES) in enhancing thermal self-sufficiency. Overall, the study highlights the necessity of policies to drive renewable heating solutions with respect to still low-cost fossil fuel solutions. This study introduces, for the first time, a deeply comprehensive model of hybrid sensible-latent thermal energy storage, featuring a fixed bed of randomly arranged PCM macrocapsules. The model considers effects at different scales, from stratification in the sensible part to melting-crystallization effects of vari-ous capsule geometries and considers operations from system to component level. Additionally, a com-plete optimization was performed, considering techno economic and GWP analyses, to derive Pareto front solutions encompassing main component sizes and the internal topology of the hybrid TES. Our research underscores the feasibility and benefits of hybrid systems in meeting renewable energy targets, demonstrating substantial economic and environmental advantages through a model that is both deep in its detail and wide in its scope.
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Schlussbericht
(Französisch)
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La Stratégie Énergétique 2050 de la Suisse impose une augmentation de la production de chaleur à partir d'énergies renouvelables et l'expansion du stockage thermique saisonnier pour réduire la dépend-ance au réseau. Cette étude aborde les limitations des systèmes thermiques solaires traditionnels et de stockage saisonnier, telles que l'occupation de l'espace de vie, le chauffage supplémentaire en été et les coûts élevés, en optimisant un système de stockage thermique hybride saisonnier. La solution proposée intègre un système de stockage d'énergie thermique hybride enterré utilisant de l'eau et des matériaux à changement de phase (MCP) encapsulés, couplé à un système photovoltaïque (PV) et à une pompe à chaleur (PAC). Nos résultats démontrent qu'une autonomie thermique (SSth) allant jusqu'à 85 % est réalisable avec un système de stockage d'environ 8 m³ pour une maison multifamiliale avec 20 habitants, tout en mainte-nant des coûts raisonnables. Au-delà de cette capacité, les coûts et les volumes augmentent de manière exponentielle. Pour une autonomie thermique inférieure à 70 %, les coûts du système sont comparables à ceux des systèmes existants, mais offrent un potentiel de réchauffement global (PRG) nettement meilleur que la chaudière à fioul de référence. Maximiser la capacité PV et sélectionner une pompe à chaleur appropriée sont confirmés comme des conditions préalables essentielles pour assurer l'effica-cité du stockage d'énergie thermique (TES) en améliorant l'autonomie thermique. Globalement, l'étude souligne la nécessité de politiques pour encourager les solutions de chauffage renouvelable face aux solutions à combustibles fossiles encore peu coûteuses. Cette étude introduit, pour la première fois, un modèle profondément complet de stockage thermique hybride sensible-latent, comprenant un lit fixe de macrocapsules MCP disposées aléatoirement. Le mo-dèle prend en compte les effets à différentes échelles, de la stratification dans la partie sensible aux effets de fusion-cristallisation de diverses géométries de capsules, et considère les opérations du niveau système au niveau composant. De plus, une optimisation complète a été réalisée, en prenant en compte des analyses technico-économiques et de PRG, afin de dériver des solutions de front de Pareto englo-bant les principales tailles de composants et la topologie interne du TES hybride. Notre recherche souligne la faisabilité et les avantages des systèmes hybrides pour atteindre les objec-tifs d'énergie renouvelable, démontrant des avantages économiques et environnementaux substantiels grâce à un modèle à la fois détaillé et de grande envergure.
Zugehörige Dokumente
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