Hva er faseendringsmaterialer (PCM) og vil det slå an i Norge?

En hører stadig oftere om faseendringsmaterialer, bedre kjent som PCM. Fagfolk nærmer seg nå en løsning på hvordan en kan lagre termisk energi (lagre energi som kulde eller varme i en lengre periode), både i industrien og i bygninger! Men hva mener vi egentlig med PCM, og vil slike materialer bli vanlige i Norge?

Aller først, hva mener vi med faseendringsmaterialer?

Man hører stadig oftere at folk snakker om faseendringsmaterialer. Du har helt sikkert brukt et slikt materiale allerede, f.eks. i kjølebagen du har med deg på stranden for å holde mat og drikke kaldt. På samme måte som du kan bruke PCM til å holde noe kaldt, kan en bruke PCM til å holde ting varmt. PCM er svært allsidige materialer, og uten tvil et spennende emne. Men jeg har lagt merke til at de fleste egentlig ikke vet hva PCM er, og at de ikke kjenner til grunnprinsippene for å bruke dem på riktig måte.

Når et fast stoff varmes opp til en temperatur over smeltepunktet, vil materialet absorbere varme og smelte, på samme måte som en isklump smelter når den absorberer varme fra brusen din for å kjøle den ned. I motsatt tilfelle, når vi kjøler ned en væske til under smeltepunktet, vil den størkne ved kvasi-konstante temperaturer, på samme måte som når vi legger vann i fryseboksen for å lage is. For at et materiale skal smelte eller størkne, må det absorbere eller frigjøre en viss mengde energi. Dette kalles «latent varme» eller «smeltevarme».

Med andre ord: PCM er materialer som absorberer eller avgir varme ved omtrent konstant temperatur når de endrer fase (smelter eller størkner), og er derfor effektive til å holde på varme eller kulde. For eksempel: Smeltevarmen for vann ved 0 °C er 80 ganger høyere enn den varmen du trenger for å varme opp flytende vann med 1 grad Celsius.

Vitenskapen knyttet til PCM konsentrerer seg derfor om ett svært enkelt mål: å kunne håndtere måten et materiale smelter og størkner igjen på, slik at en kan bruke det til å lagre varme.

Men det er ikke så enkelt å håndtere dette fenomenet!

Hvilke materialer kan brukes som faseendringsmaterialer?

Et annet spørsmål jeg ofte får er: Hvilke materialer snakker vi om?

De aller fleste materialer kan smelte og størkne igjen. Men ikke alle vil gjøre det innenfor et temperaturområde som er nyttig, eller under forhold som er mulige å regulere uten at materialene forringes etter gjentatte ganger. Vann er det mest kjente PCM-materialet, men det finnes også andre PCM-materialer som for eksempel salt og vannblandinger.

Eksempler på PCM: Salt, alkohol, voks og sukker

I Norge brukes slike blandinger oftest på vinterveier. Saltkrystaller som spres på veien blander seg med regnvann og reduserer frysepunktet til under 0 °C. Det forhindrer isdannelse på veien til temperaturen i luften er godt under null grader Celsius.

Et annet eksempel er alkohol blandet med vann. En slik blanding vil også endre frysepunktet til under 0 °. Det er dette prinsippet som brukes i vindusspylervæsker til vintersbruk, og som gjør at væsken ikke fryser selv på den kaldeste norske vinterdag. Det har stor betydning hvor mye alkohol eller salt du har i blandingen.

For eksempel vil vodka aldri fryse i fryseren, men det vil øl (og til slutt utvide seg og sprenge boksen eller flasken).

For høyere temperaturer brukes ofte parafiner, som for eksempel voks, og forskjellige typer sukkeralkoholer til å lagre varme. For eksempel forskes det på om erytritol (et søtstoff som brukes i stedet for sukker) kan brukes til varmelagring, da søtstoffet er rimelig og har en velegnet smeltetemperatur på 118 °C, like over kokepunktet for vann. Ved enda høyere temperaturer har smelting og størkning av metaller vært gjenstand for studier i årtusener for å kunne støpe forskjellig former.

I dag er vi spesielt interessert i PCM

Faseendringsmaterialer får mye oppmerksomhet for tiden ettersom materialenes teknologimodenhet (TRL) gjør at de snart kan være klare for kommersiell lagring av termisk energi. Det vil si at de kan absorbere overskuddsvarme eller -kulde, og utnytte den senere når det er behov for det.

Industrielle fordeler ved PCM

Ideelt sett er målet å lagre varme eller kulde på samme måte som vi lagrer elektrisk energi i batterier, ved hjelp av lade- og utladningsfaser. I motsetning til andre varmelagringsmetoder, kan en med faseendringsmaterialer produsere mer kompakte termiske lagringsenheter som kan brukes innenfor et mindre temperaturområde, noe som innebærer mindre varmetap.

Smelting og størkning skjer ved en temperatur som er nesten konstant. Det gjør det mulig å lagre større mengder termisk energi fra varme og kalde strømninger, som kun er et par grader over eller under driftstemperaturen. Lagring av termisk energi er svært interessant for industrien, som går inn for å redusere det totale energiforbruket og unngå at overskuddsenergi går til spille.

En annen fordel med å lagre termisk energi er at en kan jevne ut energiforbruket ved å redusere topplasten. Ved å lagre varme eller kulde når behovet er lavt og benytte den når behovet er høyt, kan vi installere mindre varme- og kjøleenheter og på den måten redusere investeringskostnadene. Det er nettopp denne fordelen, kombinert med fremtidsutsikter om betydelig høyere energipriser når behovet er høyest, som vil påskynde innføringen av PCM-baserte løsninger i Norge.

Fremtidsutsikter om betydelig høyere energipriser når behovet er høyest, vil påskynde innføringen av PCM-baserte løsninger i Norge.

Dersom topplastreduksjon blir prioritert i Norge og i internasjonal energipolitikk, og med tanke på den banebrytende rollen norsk industri spiller innen teknologier for termisk energi, har SINTEF stor tro på at faseendringsmaterialer vil bli en av de mest effektive fremtidige teknologiene for å lagre termisk energi.

SINTEF har stor tro på at PCM vil bli en av de mest effektive teknologiene i fremtiden for å lagre termisk energi

SINTEF Energis PCM-Eff-prosjekt får basisfinansiering fra Norges forskningsråd og skal bygge opp kunnskap om bruk av PCM for å oppnå effektiv lagring av termisk energi. Det forskes også på PCM i andre større prosjekter, som for eksempel FME HighEFF og KPN WoodCFD.

PCM kan varme opp hjemmet ditt

Ett eksempel på hvordan en kan anvende faseendringsmaterialer er knyttet til vedovner. I nye, moderne bygninger er varmeisoleringen så effektiv at vedovner ofte fører til at huset blir for varmt. En løsning er å lagre varme ved hjelp av PCM slik at noe av overskuddsvarmen absorberes før den slippes ut i rommet og slik at varme også avgis etter forbrenningen.

Det gjør at varmen avgis i rommet over lengre tid og gir mer behagelig varme over en lengre periode. Ett av konseptene i PCM-Eff-prosjektet har blitt testet numerisk, med lovende resultater, noen som har fanget oppmerksomheten til norske vedovnsprodusenter.

Faseendringsmaterialer kan spare supermarkeder for energi

Et annet lovende eksempel som PCM-Eff-prosjektet har fokus på, er integrering av PCM-baserte kjøleakkumulatorer i kjøleskap som brukes til å oppbevare mat i supermarkeder. Kjølingen på slike kjøleskap slås av flere ganger om dagen for å unngå isdannelse på varmevekslerne, dvs. kjøleelementene som kjøler ned sirkulasjonsluften. Disse periodene uten kjøling kalles for avrimingssykluser.

PCM-enheten vil lagre kulde når etterspørselen er lav og kan avgi gratis kjøling når det vanlige kjølesystemet slås av for avriming (for å unngå isdannelse i systemet) eller dersom strømmen går. Slik gratis kjøling kan også benyttes på natten, når kjøleskapsdørene er lukket i flere timer. Ettersom de første resultatene er lovende, jobbes det nå med å videreutvikle designet og gjennomføre forsøk for å teste konseptet.

I tillegg til behagelig varme og oppbevaring av fersk mat finnes det også mange andre anvendelsesområder for faseendringsmaterialer, og det er stor interesse for emnet over hele verden.

Det finnes eksempler fra Sverige der en ser nærmere på hvordan PCM-basert varmetransport med lastebil kan levere overskuddsvarme fra en industri til en annen som har behov for den. Et annet anvendelsesområde som er i rask utvikling, går ut på å kople en PCM varmelagringsenhet til konsentrerte solkraftverk (CSP). Det vil gjøre det mulig å lagre varme på over 400 °C når det er sol og utnytte den senere når sola ikke skinner. De første kommersielle løsningene er allerede tatt i bruk til storskala lagring av varme. PCM kan være nyttig i alle industrier.

Hva er de tekniske utfordringene?

Selv om det, ut fra beskrivelsen ovenfor, kanskje kan virke enkelt, finnes det mange utfordringer forbundet med å utvikle varmevekslere som bruker faseendringsmaterialer til å lagre varme eller kulde. Den første utfordringen er å velge riktig PCM til et gitt bruksområde (Metoder ble utarbeidet).

Faseendringsmaterialer, interessante på grunn av smeltepunktet og kommersiell tilgjengelighet, har andre egenskaper en må ta i betraktning. For eksempel kan den ovennevnte blandingen av vann og salt forårsake rustdannelse på varmeveksleren. Bare tenk på hvor mye rust det er på bilen eller sykkelkjedet etter vinteren! Parafiner er svært anvendelige i omgivelsestemperaturer, men de kan være brannfarlige og er derfor ikke alltid egnet for bruk i bygninger på grunn av brannfare.

Videre smelter ikke alle materialer jevnt, noe som gjør at det dannes forskjellige faser, som gjør at materialene ikke kan smelte og størkne i en reversibel prosess, slik de skal gjøre i en lagringsenhet for termisk energi. Når de endrer fase, kan PCM-volumet utvides seg eller reduseres med 10–20 %, avhengig av materialegenskapene.

Materialets stabilitet i faseendringssyklusene er av avgjørende betydning. Stabiliteten på materialet kan påvirkes negativt når PCM-materialer utsettes for temperaturer godt over smeltepunktet. Det er derfor viktig å kunne regulere temperaturen i hvert av hjørnene på PCM-lagringsenheten for å sikre stabilitet i systemet.

Til slutt må designet på varmeveksleren som bruker PCM, sørge for at det er mulig å overføre samme mengde varme for å absorbere all tilgjengelig overskuddsvarme (eller -kulde), og levere den tilbake når det trengs. Det er for tiden høyt forskningsfokus verden over på hvordan en kan øke varmeoverføringsratene i PCM-materialer. En annen utfordring i den forbindelse er at det bør finnes en skreddersydd løsning for hvert anvendelsesområde, avhengig av hvilken varmekilde og kjøleribbe som er tilgjengelig. Du kan lese mer om tekniske utfordringer her.

Nytt ZEB Flex laboratorium

I tillegg til PCM-Eff-prosjektet og de andre prosjektene som vi har nevnt, er vi engasjert i et spennende spin-off-prosjekt i samarbeid med NTNU og SINTEF Byggforsk om bygging av et nytt ZEB Flex laboratorium. Den 2000 m² store bygningen skal ligge på Gløshaugen i Trondheim. Bygningen består av både laboratorium og kontorer, og vil ha innovative løsninger for oppvarming og kjøling. Takket være støtte fra ENOVA, vil vi utvikle en PCM-basert varmelagringsenhet som kan lagre overskuddsvarme fra bygningens solcelletak og bidra til å varme den opp når det er behov for det.

PCM i dypfrysingsprosesser

En annen pågående utvikling som bør nevnes er bruk av faseendringsmaterialer i dypfrysingsprosesser. Dette er spesielt aktuelt i matvareindustrien i Norge der tonnevis av fisk og kjøttprodukter må dypfryses innen kort tid, noe som skaper høy topplastetterspørsel i strømnettet.

Studier som er gjennomført i FME HighEFF-prosjektet, har vist lovende resultater. I tillegg til at en sparer penger på strømregningen ved å halvere maksimumsetterspørselen etter kraft, har PCM andre fordeler som at en kan redusere størrelsen på kjølekompressoren, samt spesifikt energiforbruk per tonn produkter som skal fryses. Et eget spin-off-prosjekt for PCM-basert kuldelagring er under planlegging i samarbeid med NTNU og SINTEF Ocean.

Bruk av PCM-baserte teknologier til å lagre termisk energi er en pålitelig og levedyktig løsning

Men vi vil gjøre mer og lansere nye prosjekter. Vi har nå som mål å demonstrere overfor norsk industri at bruk av PCM-baserte teknologier til å lagre termisk energi er en pålitelig og levedyktig løsning.

På bakgrunn av de eksempler på bruksområder som vi har nevnt, har vi inngått dialog med aktuelle industrier med sikte på å arbeide sammen på spin-off-prosjekter. Slike prosjekter danner et godt grunnlag for å lære, sammen med industrien, hvordan en kan utvikle effektive varmelagringsenheter som er best tilpasset behovene i industrien. Målet er å ha demonstrasjonsenheter og prototyper på plass i løpet av de neste årene.

Tar du utfordringen og blir vår neste samarbeidspartner?

Nytt prosjekt på PCM

Det vi har lært i prosjektene dette blogginnlegget er basert på har hjulpet å få det nye forskningsprosjektet KPN PCM-STORE. I prosjektet skal nye termiske batterisystemer utvikles for å lagre kuldeenergi ved bruk av PCM i næringsmiddelindustri. Dette 4-år lang prosjektet er finansiert av Norges forskningsrådet og 12 industripartnere. SINTEF Energi AS leder prosjektet sammen med forskningspartnere NTNU, SINTEF Ocean AS, Universitetet i Pau (Frankrike) og TLK-Thermo (Tyskland).