Experimental Investigations of Thermochemical Heat Storage System Using Hydrated Salt Based Composite Sorbents for Building Space Heating Applications

Abstract

Energy is one of leading problem all around the world. Increasing urbanization and industrialization, improving life conditions and standards and increasing world population have been creating a dramatic rise of energy demand. As a consequence of population growth, this resulted in high rate fossil fuel consumption. Besides, use of fossil fuels creating irrecoverable environmental damages such as global warming. Renewable energy and its storage systems are most promising solutions to overcome this problem. North Cyprus is an island good and suitable candidate for renewable energy utilization and its storage applications. Particularly, solar energy is abundant throughout year in North Cyprus and it represents a high potential to be used for building space heating. The main barrier is the imbalance between the heating demand and solar energy availability. Due to the cyclic nature of it, there is no solar radiation available at nighttime once the heat losses increasing. This condition indicates the need of utilizing thermal energy storage coupled with solar collector systems to store the solar energy once it is available to be used later when it is needed. Despite latent and sensible heat storage systems have been researched widely for this purpose, they have some major drawbacks such as low energy storage density and high heat losses limiting the storage potential and duration. A new thermal energy storage method; thermochemical heat storage, based on reversible sorption-desorption cycles is purposed in this study. Such thermal energy storage system could provide higher heat storage density and long-term heat storage potential making it attractive for solar thermal applications. From this point of view, aim of the presented study is; to develop a prototype thermochemical heat storage system and to test it under laboratory conditions. A novel composite sorption material; CaCl2–Vermiculite was synthesized and used as the heat storage material. Three different cycles (discharging-charging) with the same flow rate were carried out. Throughout the testing, some optimal results were obtained. For charging temperature between 80-90 °C, discharging average temperature lift of air between 15-20 °C was obtained. Besides, cumulative energy output in the range of 1.6-1.8 kWh was attained, corresponding to an energy storage density between 200-230 kWh. Observed results in this experimental study demonstrated that, for both long and short term heat storage, thermochemical process using V-CaCl2 sorbent is satisfactorily promising and a good candidate to be utilized in solar thermal applications in buildings for sustainable space heating.

ÖZ: Enerji dünyanın her yerinde önde gelen sorunlardan biridir. Artan kentleşme ve sanayileşme, yaşam koşullarının ve standartların iyileştirilmesi ve dünya nüfusunun artması, enerji talebinin çarpıcı bir şekilde artmasını sağlamıştır. Yüksek oranda fosil yakıt tüketiminin bir sonucu olarak, kaynaklar azalmaktadır. Ayrıca, küresel ısınma gibi geri dönüşü olmayan çevresel zararlar oluşturan fosil yakıtların kullanılması. Yenilenebilir enerji ve depolama sistemleri, bu sorunun üstesinden gelmek için en umut verici çözümlerdir. Kıbrıs Adası yenilenebilir enerji kullanımı ve depolama uygulamaları için iyi ve uygun bir adaydır. Özellikle, güneş enerjisi, yıl boyunca Kıbrıs'ta bol miktarda bulunur ve alan ısıtması için kullanılmak üzere yüksek bir potansiyeli temsil eder. Ana bariyer, ısıtma talebi ve güneş enerjisi kullanılabilirliği arasındaki dengesizliktir. Döngüsel yapısı nedeniyle, ısı kayıpları arttıkça geceleri güneş radyasyonu yoktur. Bu durum, gerektiğinde daha sonra kullanılabildiğinde güneş enerjisini depolamak için güneş enerjisi kollektör sistemleri ile birleştirilmiş termal enerji depolama ihtiyacını göstermektedir. Gizli ve duyarlı ısı depolama sistemlerinin bu amaçla yaygın olarak araştırılmasına rağmen, düşük enerji depolama yoğunluğu ve depolama potansiyelini ve süresini sınırlandıran yüksek ısı kayıpları gibi bazı önemli dezavantajları vardır. Yeni bir termal enerji depolama yöntemi; Bu çalışmada, geri dönüşümlü sorpsiyon-desorpsiyon çevrimlerine dayanan termokimyasal ısı depolama amaçlanmıştır. Bu tür bir termal enerji depolama sistemi, daha yüksek ısı depolama yoğunluğu ve uzun süreli ısı depolama potansiyeli sunarak, bunu güneş termal uygulamaları için çekici hale getirmektedir. Bu bakış açısıyla sunulan çalışmanın amacı; prototip termokimyasal ısı depolama sistemi geliştirmek ve laboratuvar koşulları altında test etmek. Yeni bir kompozit sorpsiyon malzemesi; CaCl2-Vermikülit sentezlendi ve ısı depolama malzemesi olarak kullanıldı. Aynı akış hızına sahip üç farklı döngü (boşaltma-şarj) gerçekleştirilmiştir. Test boyunca, bazı optimal sonuçlar elde edildi. Sıcaklığın 80- 90 ° C arasında tutulması için, 15-20 ° C arasındaki hava boşaltma ortalama sıcaklık artışı elde edildi. Ayrıca, 200-230 kWh arasında bir enerji depolama yoğunluğuna karşılık gelen, 1.6-1.8 kWh aralığında kümülatif enerji çıkışı elde edilmiştir. Bu deneysel çalışmada gözlemlenen sonuçlar, hem uzun hem kısa süreli ısı depolaması için V-CaCl2 sorbenti kullanan termokimyasal işlemin, sürdürülebilir alan ısıtması için, binalarda güneş enerjisi uygulamalarında ümit vaat eden, iyi bir aday olduğunu göstermiştir.