Sähköllä ladattava lämpövarasto teollisuuslämmön tuotantoon

Abstract

Uusiutuvien sähköntuotantomuotojen lisääntyessä sähköntuotanto on yhä vaihtelevampaa, ja tuotetun sähkön varastoiminen ei ole vielä kustannustehokasta. Samalla suuri osa energiantarpeesta on lämpöä, jota tuotetaan usein polttamalla fossiilisia polttoaineita. Varastoimalla uusiutuva sähkö lämmöksi lämpövarastoihin voitaisiin sekä varastoida tuotettu edullinen sähkö, sekä vähentää lämmöntuotannon päästöjä.

Diplomityön tavoitteena oli suunnitella teollisuuslämmön tuotantoon soveltuva, sähköllä ladattava lämpövarasto. Toteutettavat tekniikat ja materiaalit valittiin kirjallisuuskatsaukseen pohjautuvan vertailun avulla. Lämmön purkamisen lämmönsiirtoaineeksi valittiin kirjallisuuden perusteella LiNaK-nitraattisuolaseos, sillä se soveltui lämpövarastolle suunniteltuun lämpötila-alueeseen ja aiheutti pienimmän teknisen riskin. Sähkön lataamisen tekniikaksi katsottiin soveltuvan resistiivinen lämmitys putkivastuksilla tekniikan yksinkertaisuuden ja tunnettavuuden vuoksi.

Toteutettavalle varastolle mitoitettiin laskennallisesti tarvittava varastomateriaalin massa, teollisuuskäyttöön riittävä purkuteho ja taloudellisesti kustannustehokkain latausteho. Lämmönsiirtoputkistolle mitoitettiin varastomateriaalissa tapahtuvan johtumisen, kontaktilämpöresistanssin ja putkikierron suhteen optimaalisin putkikoko ja sen pituus. Lataamiseen käytetyille sähkövastuksille mitoitettiin suurin mahdollinen pintateho ja niille mitoitettiin toimiva sähkönjakelu.

Laskennassa käytetyn kontaktiresistanssin varmistamiseksi rakennettiin kirjallisuuden pohjalta testilaite, millä pystyttiin mittaamaan kontaktilämpöresistanssin suuruutta pintojen välisessä kontaktissa. Mittauksissa saadut kontaktilämpöresistanssin arvot vastasivat suuruusluokaltaan laskennassa käytettyjä kirjallisuuden pohjalta valittuja arvoja. Varaston purkutehon ja vastusten huippulämpötilan määrittämiseksi rakennettiin pienen mittakaavan testilaite. Testilaitteella saatujen tulosten perusteella vastusten kuumeneminen ei muodostunut ongelmaksi mitoitetuilla pintatehoilla. Purkutehoja mitatessa huomattiin, että putken ja varastomateriaalin kontaktilla ja sen puhtaudella on suuri vaikutus saatavaan purkutehoon. Kahdeksan toteutetun mittauksen perusteella saatiin varmistettua varaston haluttu toiminta ja riittävän suuren purkutehon saamiseksi voitiin määrittää testien perusteella laskennasta hieman poikkeava lämmönsiirtoputkiston pituus jatkossa toteutettavaan pilottilaitteeseen.

Increasing the production of renewable electricity is turning electricity production more volatile and storing the produced electricity is not yet cost-efficient. At the same time, a large proportion of energy is used as heat energy, which is still commonly produced by burning fossil fuels. By storing the renewable volatile energy to a thermal energy storage (PtH TES) as heat, the cheap clean electricity could be stored and the emissions from the heat production could be reduced.

The goal of this thesis was to design a power to heat thermal energy storage structure for industrial heat production. Implemented technologies and materials were chosen based on literature review-based comparison. A good thermal conductor heat storage material was chosen to enable high output power. As a heat transfer media, the most suitable material was chosen to be LiNaK nitrate salt composition because of its suitability for implemented high storage temperatures and the lowest technical risk it produces. Resistive heating and tubular heating elements were chosen as charging technology of the storage, because of their simplicity and technological recognizability.

Necessary storage material mass, high enough output power for industrial applications, and most cost-efficient charging power were dimensioned computationally for the implemented storage. The most optimal pipe size and necessary pipe length were dimensioned by means of conduction in storage material, thermal contact resistance (TCR) and internal flow in pipes for output heat transfer pipes. Maximum power and functional electricity distribution were dimensioned for the tubular heating elements.

A test device that could be used to measure TCR values was constructed based on literature to ensure the TCR values of contacts used in calculations. Results from the measurements correlated with the magnitude values used in the calculation, that were obtained from the literature. A small size miniature model of thermal energy storage was constructed to ensure the functionality of storage, its output power, and the temperature of heating elements. Measurements showed that the temperature of tubular heaters was not problematic in the designed construction. The following measurements showed that TCR and contact cleanliness had a major impact on the receivable output power. The functionality of the storage construction and final required heat transfer pipe length for an implemented pilot device were confirmed by eight carried output power measurements.