21.07.2022 by Christina Strunz, Michael Düngfelder
60 jaar NETZSCH-Geraetebau: NETZSCH als onderdeel van het NRG STORAGE project
Alleen al in de Europese Unie is ongeveer 50% van het energieverbruik gerelateerd aan het verwarmen en koelen van gebouwen en de industrie. Gezien de EU-doelstelling om in 2050 koolstofneutraal te zijn, heeft de verwarmings- en koelingssector dringend behoefte aan grote vooruitgang op het gebied van energie-efficiëntie, duurzaamheid van gebouwen en terugdringing van het verbruik van fossiele brandstoffen. Door deel te nemen aan het door de EU gefinancierde NRG-STORAGE project draagt NETZSCH actief bij aan het bereiken van deze doelstelling.
Zoals beschreven in het vorige artikel is de HFM 446 Lambda Eco-Line vrijwel onmisbaar als het gaat om het evalueren van isolatiematerialen. De instrumenten zijn dagelijks in gebruik bij onze klanten over de hele wereld. Tegelijkertijd hebben de HFM 446 apparaten in ons NETZSCH Toepassingslaboratorium en in onze R&D-gebouwen niet alleen een regionale, maar ook een wereldwijde impact, zoals uit het volgende blijkt.
Alleen al binnen de Europese Unie is ongeveer 50% van het energieverbruik gerelateerd aan het verwarmen en koelen van gebouwen en de industrie. Het is de belangrijkste sector voor energie-eindgebruik, vóór vervoer en elektriciteit. Dit fenomeen kan worden toegeschreven aan verschillende ontwikkelingen, zoals de groeiende wereldbevolking, de verbetering van de levensstandaard en het groeiende verlangen om voortdurend te zorgen voor actief thermisch comfort binnenshuis. Tot overmaat van ramp kan slechts ongeveer 22% van de energie die wordt gebruikt voor verwarming en koeling worden toegewezen aan hernieuwbare bronnen, terwijl ongeveer 75% nog steeds wordt opgewekt uit fossiele brandstoffen. Gezien de EU-doelstelling om in 2050 koolstofneutraal te zijn, heeft de verwarmings- en koelingssector dringend behoefte aan grote vooruitgang op het gebied van energie-efficiëntie, duurzaamheid van gebouwen en terugdringing van het verbruik van fossiele brandstoffen. [1],[2],[3]
Door deel te nemen aan het door de EU gefinancierde project NRG-STORAGE draagt NETZSCH actief bij aan het bereiken van deze doelstelling. In het kader van het project wordt de HFM 446 M gebruikt om de ontwikkeling van nieuwe isolatiematerialen voor gebouwen te ondersteunen. Onder projectleiding van de Technische Universiteit van Darmstadt werken 13 partners uit Europa en één uit Argentinië samen aan de ontwikkeling van een cementschuim met ingebedde biogebaseerde Phase Change Materials (PCM) en grafeenoxide deeltjes.
Dit nieuwe composietschuim moet een 25% hogere isolatiecapaciteit, een 10% hogere energieopslagcapaciteit en een 10% hogere water- en luchtdichtheid hebben in vergelijking met conventionele bouwisolatie. Bovendien moet het minder ontvlambaar zijn dan de huidige materiaaloplossingen en recyclebaar zijn.
Het project is onderverdeeld in zes werkpakketten. Het eerste werkpakket richt zich op de karakterisering van alle afzonderlijke componenten en op cementpastaschaal. Hier op NETZSCH wordt het thermisch gedrag van de afzonderlijke materialen, bijvoorbeeld de warmteopslagcapaciteit van alle componenten en de smeltbereiken voor de PCM's bepaald via verschillende meetmethoden zoals DSC(Differential Scanning Calorimetry) en LFA(Laser Flash Analysis), met behulp van zeer small monsterhoeveelheden van slechts enkele milligrammen.
Het tweede werkpakket behandelt eerste cementschuimmonsters. Dergelijke monsters zijn heterogener en hebben een grotere monstergrootte. Daarom vereisen ze een andere meetbenadering. In dit stadium komt de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid, het belangrijkste kenmerk van een isolatiemateriaal, om de hoek kijken. Onze taak op NETZSCH is het meten van samengestelde schuimmonsters in verschillende mengsels met onze HFM 446 M (Heat Flow Meter Series) met monsters van 30 cm x 30 cm en 4 cm dik om hun warmtegeleidingsvermogen en Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit te bepalen en deze te vergelijken met de resultaten die we eerder hebben verkregen voor de afzonderlijke componenten.
Bekijk de video op youtube:
Als voorbeeld worden de warmtegeleidingsresultaten voor vier schuimmonsters getoond in Figuur 2. Deze schuimen hebben een porositeit van 80-90% en hun waarden stijgen met toenemende temperaturen binnen het bereik van 0 tot 40°C.
De hoogste warmtegeleidingscoëfficiënten van 0,075 tot 0,085 W/(m-K) werden verkregen op het referentieschuim (zonder PCM) met een ruwe DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van 240 kg/m³ en liggen ongeveer 11% boven de resultaten van het referentieschuim met 220 kg/m³. In vergelijking met het 240 referentieschuim en het schuim met dezelfde ruwe DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid maar met 10% PCM, daalt de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid met 17%. Dit effect kan worden verklaard door de lagere warmtegeleiding van het poedermateriaal dat het beter geleidende beton vervangt. De laagste Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid tussen 0,059 en 0,068 W/(m-K) werd waargenomen op het schuimmonster met 20% PCM, dit is 22% lager dan het referentiemengsel zonder PCM. Ondanks het feit dat het effect van PCM niet lineair is, neemt de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van het cementschuim af door delen van het beton te vervangen door PCM. De belangrijkste reden om PCM toe te voegen is echter om de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van het composietschuim verder te verhogen en daarmee de energieopslagcapaciteit van het isolatiemateriaal.
Op basis van deze HFM-resultaten worden vervolgens de meest veelbelovende schuimmengsels geselecteerd voor opschaling in werkpakket drie en vier. In werkpakket drie wordt dit isolatieschuim toegevoegd aan wandsegmenten die de uiteindelijke toepassing nabootsen, wat resulteert in nog grotere proefstukken en meer invloedsfactoren. Deze wanden (1,50 m x 1,50 m) worden onderzocht op warmtedoorgang in een zogenaamde Hot Box onder gecontroleerde temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden. De methode is vergelijkbaar met de HFM.
In werkpakket vier worden de best presterende en meest veelbelovende NRG-schuimen geselecteerd en gecontroleerd onder "echte omstandigheden" in demonstratiewoningen in Bulgarije en aangepaste gebouwen in Duitsland en Spanje over een langere periode.
Tijdens al deze stappen van opschaling naar het eindproduct wordt het experimentele werk geverifieerd door numerieke simulaties.
Dit project is gestart in 2020 en loopt volgens de planning tot maart 2024. We houden u op de hoogte!
[1] L. Pérez-Lombard, J. Ortiz, C. Pout, A review on buildings energy consumption information, Energy and Buildings 40 (3) (2008) 394-398.
[2] N. Soares, J.J. Costa, A.R. Gaspar, P. Santos, Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings' energy efficiency, Energy and Buildings 59 (2013) 82-103.