Short description
(German)
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Im Projekt SunStore werden neuartige, auf Phasenwechselmaterial (PCM) basierte Pufferspeicher für Wärmepumpensysteme in vier Pilotanlagen eingebaut, getestet und evaluiert. Das PCM wird in modifizierten high-density Polyethylen (HDPE), blasgeformten Kapseln als Schüttgut in die Pufferspeicher gefüllt. Im Projekt sollen insbesondere die Vorteile von PCM-Speichern im Bezug auf das Erreichen eines hohen Eigenverbrauchs von PV-Strom in Kombination mit Wärmepumpen untersucht werden, was die Wirtschaftlichkeit der PV-Installation verbessern und ebenfalls einen netzdienlichen Betrieb ermöglichen kann. An den vier Pilotanlagen mit unterschiedlichen Randbedingungen, unter anderem Neubau und Sanierung, Kombination mit Batteriespeicher und Nachrüstung von PCM in bestehenden Pufferspeichern werden umfangreiche Erfahrungen zum Einsatz von PCM im realen Betrieb über drei Heizperioden ausgewertet und der Anlagenbetrieb optimiert. Dies kann die Marktverbreitung der PCM Speicher und von Systemlösungen beschleunigen.
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Short description
(English)
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In the SunStore project, innovative buffer storage tanks based on phase change material (PCM) for heat pump systems are being installed, tested and evaluated in four pilot systems. The PCM is filled in modified high-density polyethylene (HDPE), blow-molded capsules as bulk material in the buffer storage tanks. In particular, the project aims to investigate the advantages of PCM storage systems in terms of achieving high self-consumption of PV electricity in combination with heat pumps, which can improve the cost-effectiveness of the PV installation and also enable grid-friendly operation. The four pilot systems with different boundary conditions, including new construction and refurbishment, combination with battery storage and retrofitting of PCM in existing buffer storage tanks, will be used to evaluate extensive experience with the use of PCM in real operation over three heating periods and optimize system operation. This can accelerate the market penetration of PCM storage tanks and system solutions.
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Short description
(French)
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Dans le cadre du projet SunStore, de nouveaux réservoirs tampons basés sur un matériau à changement de phase (PCM) sont installés, testés et évalués dans quatre installations pilotes pour des systèmes de pompes à chaleur. Le PCM est versé en vrac dans des capsules en polyéthylène haute densité (PEHD) modifié, moulées par soufflage, dans les réservoirs tampons. Le projet vise en particulier à étudier les avantages du stockage PCM en ce qui concerne l'obtention d'une autoconsommation élevée d'électricité photovoltaïque en combinaison avec des pompes à chaleur, ce qui peut améliorer la rentabilité de l'installation photovoltaïque et permettre également un fonctionnement adapté au réseau. Sur les quatre installations pilotes avec des conditions marginales différentes, notamment la construction neuve et la rénovation, la combinaison avec un stockage par batterie et l'ajout de PCM dans les réservoirs tampons existants, de nombreuses expériences sur l'utilisation de PCM en fonctionnement réel sur trois périodes de chauffage seront évaluées et le fonctionnement de l'installation sera optimisé. Cela peut accélérer la diffusion sur le marché des accumulateurs PCM et des solutions système.
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Final report
(German)
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Ziel des Projekts ist die Bewertung eines neuen, auf makroverkapseltem PCM beruhenden Speicherkonzepts in einer Pilotanlage über vier Heizperioden. Die PCM-Kapseln auf Salzhydratbasis können in bestehenden Wasserspeichern nachgerüstet werden und die Speicherkapazität basierend auf Stoffwertbetrachtungen um den Faktor 2-3 erhöhen. In der Pilotanlage in Pany, GR, auf einer Höhe von 1178 m. ü. M. wurde die erste Heizperiode mit dem bestehenden, wassergefüllten Heizungspufferspeicher als Referenz gemessen und für die Heizperioden 2-4 unterschiedliche Ausführungen der PCM-Kapseln ausgewertet. Mit der erhöhten Speicherkapazität soll der Eigenverbrauch der installierten PV-Anlage von 17 kWp erhöht, sowie die Jahresarbeitszahl gesteigert und der Netzbezug reduziert werden. Die Ergebnisse der Heizperioden mit PCM-Kapseln gefülltem Speicher bestätigen, dass der Eigendeckungsgrad (Anteil des selbst erzeugen Stroms am gesamten Stromverbrauch) um bis zu 50% von 21% auf 35-40% gesteigert werden konnte. Der Eigenverbrauchsgrad (Anteil des selbst verbrauchten Stroms am gesamten PV-Ertrag) wird nur geringfügig beeinflusst, da gleichzeitig auch der PV-Ertrag angestiegen ist. Zudem war der Heizbedarf durch wechselnde Belegung und Aussentemperaturbedingungen in den vier Heizperioden sehr unterschiedlich, so dass sich nicht alle Effekte eindeutig zuordnen liessen. Eine Steigerung der Jahresarbeitszahl konnte in der Pilotanlage nicht beobachtet werden. Zudem zeigt der PCM-Speicher ein erhöhtes Taktverhalten, was auf die reduzierte Speicherkapazität im festen Zustand des PCM zurückzuführen ist. Eine detaillierte Betrachtung des Speicherverhaltens zeigt jedoch, dass die Speicherkapazität verglichen mit dem Wasserspeicher um bis ca. 80% zugenommen hat und die Speicherung bei tieferem Temperaturniveau erfolgt. Allerdings wurde auch die Einschränkung festgestellt, dass die Be- und Entladeleistung des mit PCM gefüllten Speichers durch limitierten Wärmeübergang zwischen dem Speicherwasser und den Kapseln begrenzt ist, was die Nutzung der gesamten Speicherkapazität einschränkt. Dies wird durch eine Speicherneuentwicklung adressiert. Aufgrund von fehlender Skalierbarkeit, Qualitätsproblemen bei den Kapseln und einer weit fortgeschrittenen Parallelentwicklung wurde Anfang 2024 entschieden, das Kapselkonzept nicht weiterzuverfolgen und durch ein neues Konzept, basierend auf einen kompakten, vollständig mit PCM gefüllten Speicher, der Compact Cell, abzulösen. Das neue Konzept ermöglicht eine sehr kompakte Speicherung im Vergleich zu Wasserspeichern. Gerade in Sanierungsanwendungen ist der Platzbedarf oft sehr knapp, so dass kein ausreichend dimensionierter Pufferspeicher eingebaut werden kann. Ein zu kleiner Speicher kann zu Problemen wie übermässiges Takten (Lebensdauerreduktion) führen. Hier bietet die Compact Cell eine Lösung, um genügend Speicherkapazität auf kleinem Raum unterzubringen. Des Weiteren ist auch ein Trinkwarmwasserspeicher in das Konzept integriert, so dass ein deutlich grösserer Anwendungsbereich adressiert wird. Das neue Produkt konnte im Zeitrahmen dieses Projekts nicht mehr in der Pilotanlage eingebaut werden, aber es sind ebenfalls Feldtests in der gleichen Anlage geplant. Die Wirtschaftlichkeit des Speichers mit den Kapseln konnte in dem Projekt nicht eindeutig nachgewiesen werden, da sich die Vergleichsperioden bezüglich Heizwämeverbrauch und PV-Ertrag sehr stark unterscheiden und auch eine grosse Abhängigkeit von den künftigen Stromtarifen besteht. Im besten Fall könnte von einer Amortisationszeit von 12 Jahren mit den hier untersuchten Tarifen ausgegangen werden.
Related documents
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Final report
(English)
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The aim of the project is to evaluate a new storage concept based on macro-encapsulated PCM in a pilot plant over four heating periods. The salt-hydrate-based PCM capsules can be retrofitted into existing water storage tanks and, according to material property analyses, increase the storage capacity by a factor of 2–3. In the pilot plant in Pany, GR, at an altitude of 1178 m a.s.l., the first heating period was measured using the existing water-filled buffer tank as a reference. For heating periods 2–4, different designs of PCM capsules were tested. With the increased storage capacity, the self-consumption of the installed 17 kWp PV system is expected to rise, along with the annual performance factor, while grid dependency is reduced. The results of the heating periods with the PCM-filled storage confirm that the self-sufficiency rate (share of self-generated electricity in total electricity consumption) could be increased by up to 50% from 21% to 35–40%. The self-consumption rate (share of self-consumed electricity in total PV output) was only slightly affected, as PV output increased at the same time. Furthermore, heating demand varied greatly over the four periods due to changes in occupancy and outdoor temperature, making it difficult to attribute all effects precisely. An increase in the annual performance factor was not observed in the pilot plant. Consequently, the PCM storage also showed higher cycling behaviour due of the lower heat capacity in solid state of the PCM. A detailed analysis of storage behaviour shows that the storage capacity increased by up to approx. 80% compared to the water tank, and storage occurred at a lower temperature level. However, a limitation was identified: the charging and discharging performance of the PCM-filled storage is restricted by limited heat transfer between the storage water and the capsules, which reduces the use of the full capacity. This is being addressed through a new storage design. Due to lack of scalability, quality issues with the capsules, and advanced parallel development, it was decided at the beginning of 2024 not to continue the capsule concept and to replace it with a compact, fully PCM-filled storage concept – the Compact Cell. The new concept allows for very compact storage compared to water tanks. Space is often very limited, especially in renovation projects, and installing a sufficiently large buffer tank is not always possible. An undersized tank can cause problems such as excessive cycling (reducing service life). The Compact Cell provides a solution by offering sufficient storage capacity in a small space. Furthermore, a domestic hot water tank is integrated into the concept, which significantly expands its range of applications. The new product could not be installed in the pilot plant within the timeframe of this project, but field tests are also planned. The economic viability of the capsule-based storage could not be conclusively demonstrated in this project because the comparison periods varied greatly in terms of heating demand and PV yield and because future electricity tariffs play a major role. In the best case, a payback period of 12 years could be assumed based on the tariffs investigated here.
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Final report
(French)
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L’objectif du projet est d’évaluer un nouveau concept de stockage basé sur des matériaux à changement de phase (MCP) macro-encapsulés dans une installation pilote sur quatre périodes de chauffage. Les capsules de MCP à base d’hydrates salins peuvent être installées dans des réservoirs d’eau existants et augmenter la capacité de stockage, selon les analyses des propriétés des matériaux, d’un facteur de 2 à 3. Dans l’installation pilote de Pany, GR, située à 1178 m d’altitude, la première période de chauffage a été mesurée avec le réservoir tampon rempli d’eau existant comme référence. Pour les périodes 2 à 4, différentes configurations de capsules MCP ont été évaluées. Avec l’augmentation de la capacité de stockage, l’autoconsommation de l’installation photovoltaïque (PV) de 17 kWc devait être augmentée, le coefficient de performance annuel amélioré et la dépendance au réseau réduite. Les résultats des périodes de chauffage avec réservoir rempli de MCP confirment que le taux d’autonomie (part de l’électricité autoproduite dans la consommation totale) a pu être augmenté jusqu’à 50 %, passant de 21 % à 35–40 %. Le taux d’autoconsommation (part de l’électricité PV consommée sur place dans la production totale) n’a été que légèrement influencé, la production PV ayant augmenté en parallèle. De plus, la demande de chauffage a varié considérablement au cours des quatre périodes en raison des variations d’occupation et des conditions de température extérieure, rendant l’attribution précise des effets difficile. Une augmentation du coefficient de performance annuel n’a pas pu être observée dans l’installation pilote. Par ailleurs, le réservoir MCP a présenté une fréquence de cycles plus élevée, liée à la capacité réduite de stockage en phase solide. Une analyse détaillée du comportement du réservoir montre toutefois que la capacité de stockage a augmenté jusqu’à environ 80 % par rapport au réservoir d’eau et que l’accumulation d’énergie se fait à un niveau de température plus bas. Cependant, il a été constaté que la puissance de charge et de décharge du réservoir rempli de MCP est limitée par le transfert thermique entre l’eau de stockage et les capsules, ce qui réduit l’utilisation complète de la capacité. Ce point est pris en compte dans un nouveau développement de réservoir. En raison d’un manque de scalabilité, de problèmes de qualité des capsules et de l’avancement d’un développement parallèle, il a été décidé début 2024 de ne plus poursuivre le concept à capsules et de le remplacer par un nouveau concept de réservoir compact entièrement rempli de MCP, appelé Compact Cell. Ce nouveau concept permet un stockage beaucoup plus compact que les réservoirs d’eau. Dans les projets de rénovation, l’espace disponible est souvent très limité, ce qui empêche l’installation d’un réservoir tampon suffisamment dimensionné. Un réservoir trop petit peut entraîner des problèmes comme un nombre excessif de cycles (réduction de la durée de vie). La Compact Cell offre une solution en permettant de loger une capacité de stockage suffisante dans un espace restreint. De plus, le concept intègre un ballon d’eau chaude sanitaire, ce qui élargit considérablement le champ d’application. Le nouveau produit n’a pas pu être installé dans l’installation pilote dans le délai du projet, mais des essais sur site sont prévus. La rentabilité du système avec capsules n’a pas pu être démontrée de manière concluante dans le cadre du projet, car les périodes de comparaison présentaient de grandes différences en termes de consommation de chaleur et de production PV, et la rentabilité dépend également fortement des futurs tarifs de l’électricité. Dans le meilleur des cas, la période d’amortissement pourrait être estimée à 12 ans sur la base des tarifs étudiés.
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