Ontwikkeling van een hoge temperatuur chemische warmtepomp Openbare eindrapportage OPTISORP project (EOS-LT02027)

Ontwikkeling van een hoge temperatuur chemische warmtepomp Openbare eindrapportage OPTISORP project (EOS-LT02027)

Energieonderzoek Centrum Nederland
de Boer, R.
van de. Pal, M.

2009

-

menvatting Dit openbare eindrapport beschrijft de belangrijkste resultaten en conclusies van het onderzoek dat is gericht op de opbouw van kennis op het gebied van thermochemische reacties (ook wel sorptiereacties) voor toepassing in een warmtetransformator. Met een dergelijke warmtetransformator is het mogelijk om industriële restwarmte van circa 120ºC voor een deel op te waarderen naar een temperatuurniveau van circa 200ºC waarbij deze weer nuttig in een proces kan worden ingezet. Dit onderzoek is uitgevoerd vanuit de constatering dat er circa 200 PJ industriële restwarmte boven 50ºC in de omgeving wordt geloosd waarvan circa 80 PJ boven 100ºC. Een deel van die restwarmte zou via een warmtetransformator weer nuttig kunnen worden ingezet. Commercieel beschikbare warmtepompen zijn compressiewarmtepompen met een beperkte maximale temperatuur van circa 120ºC voor de warmtelevering. Voor industriële toepassingen zijn warmtepompen nodig die bij hogere temperatuur werken, een grote temperatuurlift kunnen geven en bij voorkeur met de restwarmte zelf worden aangedreven. De thermochemische warmtetransformator wordt voor deze toepassing ontwikkeld. Het onderzoek is gestart bij de basis van een thermochemische warmtetransformator: de combinatie van stoffenparen waarmee in het beoogde temperatuurgebied een warmtetransformator cyclus kan worden doorlopen. Voor de warmtetransformator is toepassing van de combinatie van LiCl en MgCl2 met NH3 geselecteerd waarmee een temperatuurlift van 50°C te realiseren is. De belangrijkste materiaal eigenschappen van deze zout-ammoniak combinaties zijn in detail geanalyseerd, en gevonden dat deze geschikt zijn voor de beoogde toepassing in een warmtetransformator en dat de maximaal haalbare temperatuurlift rond 70°C ligt. De reversibele reacties tussen de zouten en ammoniak gaan gepaard met grote warmte-effecten, waardoor een efficiënt warmtetransformatorproces kan worden gecreëerd. Om deze reacties effectief te laten verlopen is een goede warmteoverdracht van en naar de vaste stof nodig en tevens een goede toegankelijkheid van het zout voor aan- en afvoer van de damp. In het project is voor dat doel een zout-metaalschuim composiet ontwikkeld. Deze composiet combineert een goede warmte- en stofoverdracht met de vereiste stabiliteit om de zouten gefixeerd te houden in het metaalschuim. Deze zout-metaalschuim composiet is daarna geïntegreerd in een warmtewisselaar om een zout reactor te vormen. Een innovatief concept voor de reactor is ontwikkeld, uitgaande van een industrieel gangbare buis-vin warmtewisselaar. Er is een fabricageproces opgezet waarbij na volledige assemblage van de reactor de zouten vanuit een oplossing in het metaalschuim aangebracht worden. De procesvoering is zo ontwikkeld dat deze ook toepasbaar is voor toekomstige grotere systeemuitvoeringen. Op basis van deze reactoren is een proefopstelling van de chemische warmtetransformator gebouwd en beladen met de zouten LiCl en MgCl2. De prestaties ervan zijn in het laboratorium vastgesteld. Met de proefopstelling is aangetoond dat druk-temperatuurevenwichten van de beide reactoren zeer goed overeenstemmen met die van de ‘kale’ zouten, dat de beoogde temperatuurlift van > 50ºC wordt behaald en dat met restwarmte van 130°C warmte gemaakt kan worden bij een temperatuur van 180°C. De prestaties bleven bovendien stabiel gedurende meer dan 100 cycli. De geleverde vermogens lagen op 30 % van het beoogde niveau en het rendement van de opwaardering was eveneens lager dan beoogd.

http://resolver.tudelft.nl/uuid:b7cfc070-d683-4409-8376-ca1fbfa2a61d

823075

ECN-E--09-066

ECN, Petten

report