CharacSorb – Optimized sorption heat pump for efficiency increase of district heating networks

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502258

Short description (German)

Sorptionswärmepumpen können auf der Basis von erneuerbarer Fernwärme oder Abwärme Kälte bereitstellen und somit den Anwendungsbereich der Fernwärmenetze (FWN) erweitern und bestehende erneuerbare Wärmequellen besser nutzen. Andererseits können Sorptionswärmepumpen in Fernwärme-Übergabestationen auch Wärme bereitstellen und gleichzeitig den Rücklauf des Fernwärmenetzes gegenüber einer Station mit gewöhnlichem Wärmetauscher deutlich senken und damit die Effizienz der Fernwärmeversorgung erhöhen. Kommerziell verfügbare Sorptionsmaschinen sind jedoch nicht auf FWN ausgelegt. Deshalb werden neue, ideal auf die Temperauren und Anwendungen in Fernwärmenetzen abgestimmt Sorptionsmaterialien entwickelt und in einen für Sorptionsmaschinenbestimmte Wärme- Stoffübertrager eingebaut. Der neue Sorptionswärme- und Stoffübertrager wird einer Leistungsmessung unterzogen. Die Messergebnisse werden verwendet um anhand von Simulationen ihre Vorteile für die Bereitstellung von Kälte und Wärme in Fernwärmenetzen aufzuzeigen.

Short description (English)

Sorption heat pumps can provide cooling based on renewable district heat or waste heat, thus expanding the scope of district heating networks (DHN) and making better use of existing renewable heat sources. On the other hand, sorption heat pumps in district heat transfer stations can also provide heat while significantly reducing the return flow of the district heating network com-pared to a station with ordinary heat exchanger, thus increasing the efficiency of district heating supply. However, commercially available sorption machines are not designed for DHN. Therefore, new sorption materials ideally suited to the temperatures and applications in district heating net-works are being developed and incorporated in a heat & mass exchanger designed for reversible adsorption heat pumps. The new sorption heat and mass exchanger will be subjected to performance measurements. The results will be used to carry out simulations to demonstrate the advantages of adsorption heat pumps for the supply of cooling and heating in district heating networks.

Short description (French)

Les pompes à chaleur à sorption peuvent fournir du froid à partir de chaleur renouvelable provenant du chauffage urbain ou de la chaleur perdue, élargissant ainsi le champ d'application des réseaux de chauffage urbain et permettant de mieux exploiter les sources de chaleur renouvelables existantes. D'autre part, les pompes à chaleur à sorption peuvent également fournir de la chaleur dans les sous-stations de chauffage urbain et, en même temps, réduire considérablement le retour du réseau de chauffage urbain par rapport à une sous-station équipée d'un échangeur de chaleur classique, augmentant ainsi l'efficacité de l'approvisionnement en chauffage urbain. Cependant, les machines à sorption disponibles dans le commerce ne sont pas conçues pour les réseaux de chauffage urbain. C'est pourquoi de nouveaux matériaux de sorption, parfaitement adaptés aux températures et aux applications dans les réseaux de chauffage urbain, sont développés et intégrés dans un échangeur de chaleur et de matière conçu pour les machines à sorption. Le nouvel échangeur de chaleur et de matière à sorption est soumis à une mesure de performance. Les résultats des mesures sont utilisés pour démontrer, à l'aide de simulations, leurs avantages pour la fourniture de froid et de chaleur dans les réseaux de chauffage urbain.

Final report (German)

Sorptionswärmepumpen können auf der Basis von erneuerbarer Fernwärme oder Abwärme Kälte bereitstellen und somit den Anwendungsbereich der Fernwärmenetze (FWN) erweitern sowie bestehende erneuerbare Wärmequellen besser nutzen. Andererseits können Sorptionswärmepumpen in Fernwärme-Übergabestationen auch Wärme bereitstellen bei gleichzeitiger Reduktion der Temperatur des Rücklaufs im Fernwärmenetz, dies im Vergleich zu einer Übergabestation mit Standard-Wärmetauscher. Damit wird die Effizienz des Fernwärmenetzes erhöhen. Kommerziell verfügbare Sorptionsmaschinen sind jedoch nicht auf FWN ausgelegt. Deshalb werden neue, ideal auf die Temperauren und Anwendungen in Fernwärmenetzen abgestimmt Sorptionsmaterialien entwickelt und in einen für Sorptionsmaschinen bestimmte Wärme- & Stoffübertrager eingebaut. Die Betriebsbedingungen einer Adsorptionswärmepumpe (adHP) wurden in einem Fernwärmenetz für zwei verschiedene Betriebsmodi definiert: (1) Kühlbetrieb zur Bereitstellung von Kälte für Gebäude, welche an das Fernwärmenetz angeschlossen sind, unter Verwendung von Wärme aus dem FNW und (2) FNW-Rücklauftemperaturreduktion zur Verbesserung der Effizienz des Netzes. Die ermittelten technischen und wirtschaftlichen Anforderungen bzw. Randbedingungen stellen keine grösseren Hindernisse für die Entwicklung und Anwendung der Technologie dar. Die derzeitigen Netztemperaturen sind anwendbar und die Kosten für Maschinen mit hoher Leistung (> 100 kW) sind bereits wettbewerbsfähig. Ein Workshop mit Betreibern von Fernwärmenetzen wurde im Rahmen eines 5-7-Treffens zur Absenkung der Netztemperaturen durchgeführt. Im Projekt wurde zudem ein numerisches Modell der adHP modifiziert. Das aktualisierte Modell wurde dann kalibriert und anhand experimenteller Messungen, durchgeführt im SPF-Prüfstand, validiert. Dieses validierte Modell wurde schliesslich verwendet, um die Leistung der adHP-Technologien im Rücklauftemperaturreduktionsmodus zu bestimmen. Diese ermittelte Leistung wurde wiederum mit jener von kommerziell verfügbaren adHP verglichen. Da mit der neuen Entwicklung keine Leistungsverbesserung erkennbar war, wurden die Fallstudien mit den verfügbaren Modellen durchgeführt. In einer Fallstudie zum Temperaturreduktionsmodus wurde eine aktive Unterstation zwischen einem Niedertemperatur-Unternetz und einem 90 °C-Hauptnetz eingebunden. Dabei hat das Unternetz einen Vorlauf mit 50 °C/65 °C, sowie einen Rücklauf mit 40 °C/50 °C und versorgt ein Viertel bestehend aus 33 Gebäuden (5 MW Leistung, 9 GWh*Jahr-1 Bedarf). Die Ergebnisse zeigen, dass der Einbau der Unterstation eine Reduzierung der Rücklauftemperaturen um 10 K und eine Investitionsrückzahlung von weniger als 5 und 7 Jahren ermöglicht, wobei Kostenreduktionsgradienten von 0.67 bzw. 0.51 CHF*MWh-1*K-1 berücksichtigt werden. Eine Fallstudie zur Kühlanwendung in einer Gewerbezone wurde durchgeführt, in welcher zwei Szenarien verglichen wurden: 1) Business as Usual (BAU) mit dezentralen Kompressionskältemaschinen und 2) Fernkühlung (District Cooling) unter Einbindung einer Sorptionskältemaschine, die vom Fernwärmenetz (DHN) betrieben wird. Das DC-Szenario (89.6 CHF*MWh-1) ist teurer als das BAU-Szenario (72.5 CHF*MWh-1). Dies mit höheren Investitionskosten (~21 % vs. 7.2 %) und zusätzlichen Kosten für das Kaltwassernetz. Die Kosten im BAU-Szenario werden hauptsächlich durch den Bedarf an elektrischer Energie (92.8 %) bestimmt, während das DC-Szenario eine ausgewogenere Kostenverteilung zwischen Wärme (32.8 %) und Elektrizität (42.9 %) aufweist. Dies kann die Volatilität der Energiepreise abschwächen. Die Modellierung unterstützte zudem die Sorbent-Optimierung und führte zu vielversprechenden Sorptionsmaterialien. Die Herstellung des Sorbent-Materials wurde erfolgreich hochskaliert. Für den geplanten Wärme- und Stoffaustascher (A/D HEX 2) wurden Aktivkohle-Monolithe hergestellt. Weiter wurde der im früheren SNF THRIVE Projekt entwickelte und mit Aktivkohle bestückte A/D Wärme- und Stoffaustauscher (A/D HEX 1) im erweiterten Prüfstand charakterisiert. Das Design eines Wärme- und Massentauschers der zweiten Generation (A/D HEX 2) wurde fertiggestellt (hydraulische Verteilung, Lamellen und Sorptionsmonolith-Layout) sowie mit selbst entwickelten Verfahren und Werkzeugen hergestellt. Nun zeigen jedoch die Ergebnisse der Messkampagne von A/D HEX 2 keine signifikant anderen Ergebnisse als jene zur ersten Version: um etwa 30 % geringere Leistungen im Kühlmodus und etwas bessere (+5 %) im Wärmenetzmodus. Angesichts der hohen (Sorbat) Dampfmengen, die zu Beginn eines Zyklus adsorbiert und desorbiert werden (hohe Kinetik), scheint das Sorbent-Material selbst nicht (Leistungs-) limitierend zu sein, sondern eher die Umsetzung bzw. Implementierung in die Wärme transportierenden Elemente (Limitierung durch den Wärmeübergang). Weitere Untersuchungen, wie z.B. 3D-Modellierung, um die Zahl der Versuche zu reduzieren, wären notwendig, um diese Hypothese zu bestätigen.

Final report (English)

Sorption heat pumps can provide cooling based on renewable district heat or waste heat, thus expanding the scope of district heating networks (DHN) and making better use of existing renewable heat sources. On the other hand, sorption heat pumps in district heat transfer stations can also provide heat while significantly reducing the return flow of the district heating network compared to a station with ordinary heat exchanger, thus increasing the efficiency of district heating supply. However, commercially available sorption machines are not designed for DHN. Therefore, new sorption materials ideally suited to the temperatures and applications in district heating networks are being developed and incorporated in a heat & mass exchanger designed for reversible adsorption heat pumps. The Adsorption Heat Pump (adHP) operating conditions in a District Heating Network have been defined for two different modes: (1) cooling mode to supply cooling to building connected to the DHN using heat from the grid and (2) return temperature reduction mode to improve the efficiency of the grid. The technical and economic constraints identified do not present any major obstacles to the development of the technology. Current network temperature levels are suitable, and costs are already competitive for high-power machines (> 100 kW). A workshop was held with district heating network operators during a 5 à 7 on lowering network temperatures. Furthermore, the adHP numerical model has been modified. The updated model has then been calibrated and validated against experimental measurements realized in the SPF test bench. The validated model has finally been used to map the performance of the adHP technologies in return temperature reduction mode. The performance has been compared to the performance of a commercially available adHP. As the new developments showed no improvement in performance, the case studies were carried out using available models. A case study in temperature reduction mode was carried out, integrating an active substation between a low-temperature subnetwork (outgoing: 50 °C/65 °C, return: 40 °C/50 °C) supplying a district of 33 buildings (5 MW of power and 9 GWh*year-1 of consumption) and a 90°C structural network. The results show that the active substation enables return temperatures to be reduced by 10 K, with paybacks of less than 5 and 7 years respectively, considering cost reduction gradients of 0.67 and 0.51 CHF*MWh-1*K-1. A case study for a commercial zone's cooling application was conducted, comparing two scenarios: 1) Business as Usual (BAU) with decentralized compression chillers, and 2) District Cooling (DC) integrating a sorption chiller powered by the DHN. The DC scenario (89.6 CHF*MWh-1) is more expensive than the BAU scenario (72.5 CHF*MWh-1), with higher initial investment amortization (~21 % vs. 7.2 %) and additional costs from the chilled water network. The BAU scenario's costs are primarily driven by electricity (92.8 %), whereas the DC scenario has a more balanced cost distribution between heat (32.8%) and electricity (42.9 %), mitigating energy tariff volatility. Modelling supported optimization led to highly promising sorbent materials and materials production has been successfully upscaled. The production of sorbents for the final prototype has been completed. Finally, the A/D Heat and Mass Exchanger (A/D HEX 1) developed in the former SNF THRIVE project carrying active carbon sorbent was characterized on the updated test rig. The design of a second-generation Heat and Mass Exchanger (A/D HEX 2) has been completed (hydraulic distribution, fins and sorption monolith layout) and manufactured using in-house developed tools and processes. Unfortunately, the results of the A/D HEX 2 characterisation campaign do not show significantly different results from the first version: performance is around 30 % lower in the cooling mode and slightly better (+5 %) in the district heating mode. In view of the large quantities of vapour adsorbed and desorbed at the onset of the cycle, due to the high kinetic the material itself does not appear to be a limiting factor, but rather the way it is installed and laminated to the heat conducting elements i.e. heat transfer limited characteristic. Further investigations like 3D modelling and thus reduction of the experimental effort would be required to confirm this hypothesis.

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• Final report_english [PDF] 6'430 kB

Final report (French)

Les pompes à chaleur à sorption peuvent fournir du froid à partir de sources de chaleur renouvelable ou de chaleur résiduelle, ce qui élargit le champ d'application des réseaux de chaleur et permet de mieux utiliser les sources de chaleur renouvelables existantes. D'autre part, les pompes à chaleur à sorption dans les stations de transfert de chaleur peuvent également fournir de la chaleur tout en réduisant de manière significative la température de retour du réseau de chaleur par rapport à une station avec un échangeur de chaleur ordinaire, augmentant ainsi l'efficacité de l'approvisionnement en chauffage urbain. Cependant, les machines à sorption disponibles dans le commerce ne sont pas conçues pour les réseaux de chaleur. C'est pourquoi de nouveaux matériaux de sorption idéalement adaptés aux températures et aux applications des réseaux de chauffage urbain sont en cours de développement et incorporés dans un échangeur de chaleur et de masse conçu pour les pompes à chaleur à adsorption réversible. Les conditions de fonctionnement de la pompe à chaleur par adsorption (adHP) intégrée dans un réseau de chauffage urbain ont été définies pour deux modes différents : (1) mode de refroidissement pour fournir du froid aux bâtiments connectés au réseau de chauffage urbain en utilisant la chaleur du réseau et (2) mode de réduction de la température de retour pour améliorer l'efficacité du réseau de chaleur. Les contraintes techniques et économiques identifiées ne présentent de frein majeur au développement de la technologie. Les niveaux de température des réseaux actuelles sont adaptés et les coûts sont déjà compétitifs pour les machines de forte puissances (> 100 kW). Un atelier a été effectué avec les opérateurs de réseaux de chauffage à distance lors d’un 5 à 7 sur l’abaissement de la température des réseaux. En outre, le modèle numérique de l'adHP a été modifié. Le modèle mis à jour a ensuite été calibré et validé par rapport aux mesures expérimentales réalisées sur le banc d'essai du SPF. Le modèle validé a finalement été utilisé pour cartographier les performances des technologies adHP en mode de réduction de la température de retour et pour le mode rafraichissement. Les performances ont été comparées à celles d'une adHP disponible commercialement et des données issues de la litérature. Comme les performances des nouveaux développements ne présentaient pas d’amélioration au niveau des performances, les études de cas ont été effectuée avec les modèles disponibles. Un cas d’étude en mode réduction des températures a été effectués en intégrant une sous-station active entre un sous-réseaux basse température (aller : 50 °C/65 °C, retour : 40 °C/50 °C) alimentant un quartier de 33 bâtiments (5 MW de puissance et 9 GWh*an-1 de consommation) et un réseau structurant à 90 °C. Les résultats montrent que la sous-station active permet de réduire les températures de retour de 10 K et des retours sur investissement inférieurs à 5 et 7 ans en considérant respectivement des gradients de réduction des coûts de 0.67 et 0.51 CHF*MWh-1*K-1. Une étude de cas pour l'application de refroidissement d'une zone commerciale a été menée, comparant deux scénarios : 1) Business as Usual (BAU) avec des machines frigorifiques à compression décentralisés, et 2) Froid a distance (FaD) intégrant un machine à sorption alimentée par le chauffage à distance(CaD) Le scénario FaD (89.6 CHF*MWh-1) est plus coûteux que le scénario BAU (72.5 CHF*MWh-1), avec un amortissement des investissements plus élevé (~21 % contre 7.2 %) et des coûts supplémentaires liés au réseau de FaD. Les coûts du scénario BAU sont principalement dus à l'électricité consommée (92.8 %), tandis que le scénario FaD présente une répartition des coûts plus équilibrée entre la chaleur (32.8 %) et l'électricité (42.9 %), atténuant ainsi la volatilité des tarifs énergétiques. L'optimisation soutenue par la modélisation a conduit à des matériaux adsorbants très prometteurs, et la production de matériaux a pu être menée à bien à plus grande échelle. La production de sorbants pour le prototype final a été achevé. Finalement, l'échangeur de chaleur et de masse A/D (A/D HEX 1) développé dans l'ancien projet SNF THRIVE transportant du carbone actif a été caractérisé sur le banc d'essai mis à jour. La conception d'un échangeur de chaleur et de masse de deuxième génération (A/D HEX 2) a été achevée (distribution hydraulique, ailettes et disposition du monolithe de sorption) et fabriquée à l'aide d'outils et de processus développés en interne. Malheureusement, les résultats de la campagne de caractérisation de l'A/D HEX 2 ne montrent pas de résultats significativement différents de la première version : performances inférieures de l’ordre de 30 % en mode rafraîchissement et légèrement meilleures (+5 %) en mode réseau de chaleur. Au vu des fortes quantités de vapeur adsorbées/désorbées en début de cycle, le matériau lui-même ne semble plas limitant mais plutôt sa mise en oeuvre (limitation liée aux transferts thermique?). Des investigations supplémentaires (modellisation 3 D) seraient nécessaires afin de confirmer cette hypothèse.