Welke warmtedragers worden gebruikt in Demax zonne-thermische systemen?

Belangrijkste opties voor warmtedragers voor Demax zonne-thermische systemen

Water: het beste voor lage-temperatuur, onder druk staande Demax-installaties

Voor zonne-thermische toepassingen die onder 100 graden Celsius werken, blijft water een van de meest economische en efficiënte opties als warmtedrager. De voordelige eigenschappen van water zijn te danken aan zijn relatief hoge specifieke warmtecapaciteit (ongeveer 4,18 kJ per kg·K), terwijl er weinig pomppower nodig is. Bij koeling met een onder druk staand Demax-systeem is water ideaal, omdat het niet kan koken en veilig en milieuvriendelijk is. Water bevriest echter bij 0 graden Celsius, waardoor deze systemen uitsluitend operationeel zijn in vorstvrije gebieden. Wanneer systemen door winterse omstandigheden gevaar lopen om te bevriezen, moeten technici het water volledig aftappen om schade te voorkomen. Prestatiegegevens uit continentale mediterrane huishoudens tonen aan dat de ESTIF (European Solar Thermal Industry Federation) in 2023 bewees dat op water gebaseerde installaties een seizoensefficiëntie van ongeveer 60% bereikten.

Oplossingen gericht op veiligheid en bevriesbescherming

Wat betreft bevriezelsbescherming tonen mengsels van propyleenglycol en water veel belofte. Ze blijven functioneren tot min 30 graden Celsius en zijn minder gevaarlijk dan de andere beschikbare opties die ethyleenglycol gebruiken en bij lekkage gevaarlijk kunnen zijn. Deze mengsels voorkomen ook corrosie wanneer de systemen volgens de juiste richtlijnen worden gebouwd met roestvrij staal en bepaalde andere kunststoffen. Als nadeel zijn propyleenglycol/water-mengsels bij 20 graden Celsius 30 tot 50 procent viskeuzer dan water, waardoor de pompen veel harder moeten werken. Omdat ze echter zeer goed presteren bij lage temperaturen, zijn ze de standaard warmtedrager voor de meeste locaties in Noord-Amerika en Noord-Europa. Onlangs hebben fabrikanten ook verbeteringen bereikt door specifieke, eigendomsmatige chemicaliën aan de vloeistoffen toe te voegen, waardoor het afbrekingspercentage van de vloeistof wordt verlaagd. Wanneer de vloeistoffen worden getest in gesloten Demax-systemen volgens de voorgeschreven industriestandaarden, wordt geschat dat ze 5 tot 7 jaar meegaan.

Thermisch stabiele siliconenvloeistoffen en lucht: gespecialiseerde toepassingen in zonthermische systemen zonder druk en bij verhoogde temperaturen

Siliconenvloeistoffen voor warmteoverdracht zijn de enige vloeistoffen die gedurende langere tijd operationeel blijven in niet-gedrukte open-cyclus geconcentreerde zonthermische systemen die werken bij verhoogde temperaturen tussen 200 en 400 °C. Siliconenvloeistoffen beschikken ook over de nodige warmteoverdrachtscapaciteit voor gebruik in het hoge temperatuurbereik van geconcentreerde zonthermische systemen. Warmteoverdrachtsvloeistoffen worden echter niet gebruikt in systemen waar lucht het werkmedium is. Lucht, in combinatie met open-cyclus-systemen, biedt operationele betrouwbaarheid en onderhoudsgemak in niet-gedrukte zonthermische systemen. De combinatie van deze gespecialiseerde vloeistoffen, zelfs indien geoptimaliseerd, vertegenwoordigt minder dan 15 procent van het wereldwijde totaal aan zonthermische installaties.

Dat aantal is afkomstig van de meest recente marktanalyse van het SolarPACES-initiatief 2024 van het Internationaal Energieagentschap.

Belangrijkste selectiecriteria voor thermische zonne-energie-overdrachtsvloeistoffen

Thermische stabiliteit en weerstand tegen verslechtering

Bij warmtedragers (HTF’s) in zonthermische toepassingen wordt verwacht dat ze op lange termijn chemisch stabiel zijn, aangezien ze in sommige gevallen gedurende langere tijd (zelfs jaren) aan temperaturen rond de 200 graden Celsius worden blootgesteld. Wanneer vloeistoffen chemisch onstabiel zijn, heeft dat negatieve gevolgen voor het systeem als geheel, waaronder een vermindering van de thermische prestaties. In enkele gedocumenteerde gevallen is de thermische prestatie van vloeistoffen binnen vijf jaar met 22% afgenomen. Dit wordt vaak veroorzaakt door een toename van de viscositeit als gevolg van oxidatie van de vloeistof en de daaropvolgende slibvorming. Dergelijke omstandigheden leiden ook tot hogere onderhoudskosten en een verminderde prestatie van de warmtewisselaar. Hoewel oxidatie-inhibitoren een deel van de bovengenoemde problemen kunnen verzachten, is er meer aandacht nodig voor de compatibiliteit van de vloeistof met de systeemmaterialen gedurende de tijd. Systeemmaterialen zoals koper en aluminium, en zelfs rubber in sommige klepafdichtingen, kunnen gedurende de tijd diverse chemische reacties met de vloeistof ondergaan. Met name bij onder druk staande Demax-systemen wordt geschat dat het corrosietempo ongeveer 30% hoger is bij stabiele vloeistoffen vergeleken met onstabiele vloeistoffen.

Dit type slijtage en versletenheid verkort niet alleen de levensduur van apparatuur, maar verhoogt ook op de lange termijn aanzienlijk de onderhoudsbegroting.

Vloeistofselectie per klimaatzone op de markt voor zonne-thermische systemen in Noord-Amerika en Europa

Bij de keuze van vloeistof moet strikt worden gelet op de klimatologische extremen in de regio waar de installatie plaatsvindt.

1. De Noordse landen en Centraal-Europa: Bescherming moet worden geboden tot –30 °C. Hiervoor is een mengsel van propyleenglycol en water in een verhouding van 50:50 de de-facto-standaard voor koude-klimaattoepassingen van Demax, aangezien dit meer dan 85% van het warmteoverdrachtsrendement van water behoudt.

2. De Middellandse Zee en het zuidwesten van de Verenigde Staten: Stagnatietemperaturen overschrijden regelmatig 300 °C. Stagnatietemperaturen vereisen daarom een hoge temperatuurstabiliteit in combinatie met een lage dampdruk. In dit opzicht presteren siliconen beter dan glycolen, aangezien hun dampdruk bij piekbedrijfstemperaturen 40% lager is dan die van glycolen, waardoor de frequentie van drukontlasting wordt verminderd en bijgevolg ook het verlies van vloeistof.

3. Het noordoosten van de Verenigde Staten als voorbeeld van een hybride klimaat: Er is een ontwerp met dubbele bescherming vereist. De nieuwste generatie koolwaterstofschuimen heeft de mogelijkheid om onder –25 °C pompeerbaar te blijven en thermische degradatie te weerstaan bij temperaturen tot 290 °C. Dit maakt een veilige jaarlijkse bedrijfsvoering mogelijk zonder afbreuk te doen aan de efficiëntie.

Hoewel hun gebruik de viscositeit verhoogt met 12–15%, wat leidt tot een grotere pompinspanning en grotere pompboringdiameters, is er duidelijk een trend naar het gebruik van thermisch stabielere vloeistoffen, ondanks de extra veiligheidseisen die zij opleggen.

Vergelijking van prestaties op het gebied van efficiëntie, veiligheid en systeemcompatibiliteit in zonne-thermische toepassingen

Thermofysische afwegingen met betrekking tot specifieke warmte, viscositeit en pompende energie bij stroming, in relatie tot de zonne-thermische opbrengst

De algemene thermische prestaties van elk vloeistofmedium werden geanalyseerd in relatie tot drie fysicochemische kenmerken van het medium: de thermische energieopslagcapaciteit van het medium (soortelijke warmte), de dikte van het medium (viscositeit) en de thermische afbraak van het medium (thermische stabiliteit). Water is een uitstekende thermische energieabsorbeerder (soortelijke warmte is ongeveer 4,18 kJ per kg per graad K). Problemen ontstaan echter bij het gebruik van water in dergelijke systemen, omdat de temperaturen onder het vriespunt kunnen dalen. In die gevallen is het gebruik van glycolmengsels noodzakelijk, hoewel deze vloeistoffen 30 tot 50 % viskeuzer zijn dan water. Deze extra viskeuze weerstand vereist dat pompen meer arbeid verrichten, wat meestal leidt tot een stijging van het energieverbruik met 15 tot 30 % in grote industriële systemen, waardoor de netto verzamelde zonne-energie afneemt. Hoewel siliconenvloeistoffen minder viskeus worden bij verhitting, is hun soortelijke warmte beperkt tot een bereik van 1,5 tot 1,8 kJ. Een operator die siliconenvloeistoffen gebruikt, moet daarom twee keer zoveel vloeistofstroming genereren als nodig zou zijn bij water. Dit vloeistofbeheer vergroot de behoefte aan grotere pompen, verhoogt de elektriciteitskosten en verhoogt de onderhoudslast.

Het is bevestigd via praktijktests op zonne-energiecentrales met parabolische troggen dat ongeschikte vloeistoffen en pompen op termijn het thermische rendement met 12 tot 18 procent kunnen verminderen. Belangrijk is dat ondermaatse vloeistoffen sneller afbreken en al na slechts vijf jaar 50 tot 80 procent viskeuzer kunnen worden, wat van invloed is op de stroming. Bijgevolg moeten ingenieurs elke nieuwe vloeistof in feite evalueren in combinatie met elk onderdeel van het systeem waarmee deze in contact zal komen, inclusief expansietanks, kleppen en met name plaatwarmtewisselaars met soldeerverbinding.

Veelgestelde Vragen

Wat is het belangrijkste voordeel van het gebruik van water als warmtedrager in Demax-systemen?

Water is efficiënter in het transporteren van warmte omdat het een hogere specifieke warmtecapaciteit heeft dan andere vloeistoffen. De toepassing bij lage temperaturen in vorstvrije gebieden en de lage pompverliezen maken het tot een zeer gewilde vloeistof.

Wat zijn de voordelen van het gebruik van propyleenglycol/watermengsels in koude klimaten?

Deze mengsels zijn dikker dan water en veiliger dan opties op basis van ethyleenglycol. Ze zijn de voorkeurskeuze in koude gebieden vanwege hun weerstand tegen lage temperaturen en verhoogde viscositeit, met name in Noord-Amerika en Noord-Europa.

Wat zijn de kenmerken van siliconenvloeistoffen die hen geschikt maken voor toepassingen bij hoge temperaturen?

Siliconenvloeistoffen bezitten een opmerkelijke thermische stabiliteit, waardoor ze kunnen worden gebruikt in toepassingen bij hoge temperaturen, zoals in geconcentreerde zonnewarmtesystemen. Bovendien hebben siliconenvloeistoffen een lage dampdruk, wat de kans op activering van drukontlasting bij piektemperaturen minimaliseert.

Wat zijn de implicaties van de selectiecriteria voor het klimaat van de regio bij de keuze van een warmtedragende vloeistof?

Om de betrouwbaarheid en efficiëntie van het systeem te maximaliseren, dient freezebescherming door warmtedragende vloeistoffen te worden toegepast in koude gebieden, terwijl vloeistoffen met een hoge thermische stabiliteit moeten worden gebruikt in warme gebieden.