Investigation and design of novel peak shaving district heating systems based on thermochemical materials

Currently, domestic heating for the households is one of the major end uses of fossil fuel. However, the challenge is how to fulfill the peak-load demand without using natural gas which is important for the heating supply reliability. The Netherlands has targeted for removing natural gas as the main heat source for over 7 million households by 2050 and move through sustainable district heating network. One of the technologies which can be developed and utilized is the heat storage technology based on thermochemical materials. This system can be charged during the summer period with green-electricity by renewables and then discharged in the winter to provide the required heat to the households for domestic use. In fact, the exothermic hydration reaction of a salt heats up a heat transfer fluid to provide the desired thermal energy. This study will investigate the heat storage systems based on potassium carbonate as thermochemical material, then design and optimize two different reactor setups for this application using the COMSOL Multiphysics® software, make evaluations and comparisons to contribute the research for development of these systems. The two designs will be based on using multi-tube and helical coil heat exchangers, and according to a sensitivity analysis performed during the study, they will be improved mainly in terms of outlet temperature for heat transfer fluid, but also status of conversion for the material to monitor the reaction speed and the energy density of the reactor.

Attualmente, il riscaldamento domestico per le famiglie è uno dei principali usi finali dei combustibili fossili. Tuttavia, la sfida è come soddisfare la domanda di carico di punta senza utilizzare gas naturale, che è importante per l'affidabilità della fornitura di riscaldamento. I Paesi Bassi hanno l'obiettivo di rimuovere il gas naturale come principale fonte di calore per oltre 7 milioni di famiglie entro il 2050 e di passare attraverso una rete di teleriscaldamento sostenibile. Una delle tecnologie che possono essere sviluppate e utilizzate è la tecnologia di accumulo di calore basata su materiali termochimici. Questo sistema può essere ricaricato durante il periodo estivo con energia verde da fonti rinnovabili e poi scaricato in inverno per fornire il calore necessario alle famiglie per uso domestico. Infatti, la reazione di idratazione esotermica di un sale riscalda un fluido termovettore per fornire l'energia termica desiderata. Questo studio indagherà i sistemi di accumulo di calore a base di carbonato di potassio come materiale termochimico, quindi progetterà e ottimizzerà due diverse configurazioni di reattori per questa applicazione utilizzando il software COMSOL Multiphysics®, effettuerà valutazioni e confronti per contribuire alla ricerca per lo sviluppo di questi sistemi. I due progetti si baseranno sull'utilizzo di scambiatori di calore multitubo e a serpentino elicoidale e, secondo un'analisi parametrica eseguita durante lo studio, saranno migliorati principalmente in termini di temperatura di uscita per fluido termovettore, ma anche stato di conversione per il materiale per monitorare la velocità di reazione e la densità di energia del reattore.