PCM-STORE - PCM-based low-temperature Thermal Energy Storage for a more sustainable food industry

PCM-STORE har samlet meierier, fiskeindustri, næringsmiddelindustri, teknologileverandører og andre industriaktører for å jobbe mot et felles mål: Å løse utfordringer knyttet til energilagring for å gjøre fremtidig industri mer energieffektiv. Høyere andel fornybar energi gir større variasjoner i strømnettet, noe som fremskynder behovet for både energilagring og energieffektivisering. Bedre energilagringsløsninger kan redusere toppeffekter for diskontinuerlige prosesser, lette lastforskyvning og sikre tilstrekkelig energiforsyning. Sammenlignet med tradisjonelle lagringsmetoder for elektrisitet, kan termisk energilagring (TES) lagre store mengder termisk energi, ved både lave og høye temperaturer, mer effektivt og til mye lavere kostnader. Selv om det er svært relevant teknologi for norsk matindustri, har kompetansen i Norge på kald TES (CTES) foreløpig vært begrenset. PCM-STORE har håndtert denne utfordringen ved å studere lavtemperatur TES-systemer basert på faseendringsmaterialer (PCM) for industrielle kjøle- og fryseprosesser. Industripartnere er kjernen i PCM-STORE. Bruk av PCM-CTES-enheter vil gjøre det mulig for partnerne å dekke maksimalt kjølebehov samtidig som de kan redusere det maksimale effektbehovet, forbedre kjølekapasiteten og redusere matsvinn. Dette vil redusere både drifts- og investeringskostnader, og bidra til en mer bærekraftig norsk industri. Fra de opprinnelige tre case-studiene definert i oppstartsfasen, har prosjektet fulgt seks industrielle caser fra ide, til planlegging og dimensjonering, og i noen tilfeller så langt som til å være klar til implementasjon. Bruk av PCM krever god forståelse av materialspesifikke fenomener som superkjøling, varmeledning, faseseparasjon og varmeoverføringshastighet. Siden prosjektet begynte, er en rekke kommersielle PCMer undersøkt. Dette bidrar til å utvikle kompetanse innen PCM-karakterisering samt at det er etablert en database med relevante PCMer som kan implementeres direkte i relevante applikasjoner til PCM-STORE sine partnere. Arbeidet har blitt utført i samarbeid med University of Pau (Frankrike), en av partnerne i prosjektet. PCM-STORE har kombinert disse eksperimentelle materialdataene med detaljert numerisk modellering, som igjen har dannet grunnlaget for dynamisk systemmodellering av PCM-CTES-enheter integrert i utvalgte industrielle anvendelser, eksperimentell validering av modellene og pilotdemonstrasjoner i lab-skala. En ny numerisk modell av en PCM-pute-plate-varmeveksler (pillow-plate heat exchanger) er utviklet for å representere den aktuelle ytelsen til PCM-kjølelageret i dynamiske systemmodeller. Dette arbeidet er utført sammen med TLK-Thermo (Tyskland) som har benyttet eksperimentelle data fra SINTEF-NTNU sine laboratoriefasiliteter, inkludert data fra en PhD-avhandling finansiert gjennom FME HighEFF. Den nye komponenten vil være viktig for å undersøke brukerpartnernes industriprosesser og identifisere hvordan PCM-CTES-teknologien bør integreres for å optimere energibruk i de ulike prosessene. To nye typer varmevekslere, inkludert en levert av prosjektpartner Alfa Laval, har blitt designet og eksperimentelt testet med PCM for å undersøke nye PCM-CTES-konfigurasjoner som kan bidra til å senke investeringskostnadene for implementering av PCM-CTES, samt optimalisere for bruk i spesifikke anvendelser. Spin-off-selskapet Cartesian, som baserer sin teknologi på resultater fra PCM-STORE, ble opprettet og ble med i prosjektet i 2023, med spesiell interesse for utvikling av nye varmeveksler- og lagringsdesign. For de fleste brukerpartnerne er reduksjon av topplast det prioriterte målet ved implementering av PCM-CTES. Gjennom besøk ved fabrikkene og jevnlig dialog har vi gjort en omfattende modellering av industriprosesser fra våre brukerpartnere Norsk Kylling, Pelagia og Rørosmeieriet. Disse modellene, sammen med prosess- og energidata som viser dynamiske energibehov, har gjort det mulig for bedriftene å danne seg et bilde av hvorvidt og hvordan PCM-CTES bør integreres. Omfattende arbeid for innenfor state-of-the-art har blitt utført i samarbeid med prosjektets andre brukerpartnere, basert på deres behov og eksisterende tekniske løsninger. Det er forventet at flere av disse leder til implementasjon etter prosjektets slutt. Prosjektet for øvrig har allerede gitt avkastning i form av en lang rekke journal-og konferansebidrag, etablering av spin-off-selskap delvis basert på prosjektet, publisitet omkring TES i form av blogger, white paper, og åpne workshops for akademia og industri, og ikke minst åpnet døren for flere spin-off prosjekter innenfor blant annet videreutvikling av noen av varmevekslerkonseptene, og varmelagring innen andre temperaturområder.

Utilization of CTES will enable Norwegian food industries to improve energy efficiency, increase production capacity while maintaining the installed cooling capacity, and to increase utilization of fluctuating renewable energy sources. Apart from immediate benefits at the relevant industries, increased application of energy storage will facilitate load shifting from high- to low-demand periods, benefiting the energy systems at large. Added benefits include reduced food losses, which in turn may lower the prices for consumers. Industrial implementation of the developed PCM-CTES solutions will also enable value creation for the technology suppliers. PCM-STORE has provided the scientific basis needed for spinoff implementations, laying out the track for fast realization of the most promising concepts. PCM-STORE has built competence in many important aspects across the CTES value chain. At low TRL, the theoretical and experimental understanding of PCMs and their applications have been crucial, increasing the level of expertise in the field nationally and internationally. In particular, a database of potential low-temperature PCMs and their material properties has been built, for use by industrial partners or in further research projects. Experimental setups, expertise and procedures for measurement of thermal properties of materials have been built, and will be utilized in other research projects. A new numerical mode of PCM heat exchangers have been built and validated, that will be central in identifying and quantifying future industrial CTES potential. System models have been developed to examine integration paths and optimal parameters for industrial CTES implementations, to allow systems to be optimized according to the industrial needs. A spin-off company is based partially on results from the project, and is expected to contribute to multiple TES installations nationally and internationally, as well as creating new opportunities for suppliers and for further scientific collaboration. The project has been part of a large number of dissemination activities to raise awareness of TES potential towards society and industry, among those a white paper on TES and a yearly workshop with academia and industry. The large number of journal and conference contributions is a clear sign of the scientific significance of the project, which will be taken further in spin-off activities within the research partners. The international collaboration with research and industrial partners will be continued through other projects.

Energy storage is vital for future energy efficient industries to supply peak power demands for intermittent processes, to facilitate load shifting, and to hedge against shortage in energy supply. Thermal energy storage (TES) enables storing large amounts of thermal energy at both low- and high temperatures more efficiently and at significantly lower costs than electrical energy storage. There is a great need for low-temperature TES in the food industry with high and highly varying cooling and freezing demands. PCM-STORE addresses this challenge by developing low-temperature TES systems based on phase change materials (PCM) for industrial cooling and freezing processes. Although highly relevant for Norwegian food industries, the competence on cold TES (CTES) is currently limited in Norway. Three case studies representing different temperature ranges are identified as potential candidates for implementation of PCM-CTES: industrial batch freezing processes, cold storage in food processes, and refrigerated display cabinets. Application of PCMs requires thorough understanding of the phenomena limiting the application of PCMs, such as supercooling, low thermal conductivity, phase separation and low heat transfer rate. PCM-STORE will combine detailed numerical modelling of these phenomena, dynamic system modelling of the PCM-CTES units integrated in selected industrial applications, experimental validation of the models as well as lab-scale pilot demonstrations. PCM-STORE is a joint effort gathering various industrial actors: dairies, fish industries, food processing plants, technology suppliers and power grid operators. Utilization of PCM-CTES will enable the partner industries to cover their peak cooling while shaving peak power demands, to enhance cooling capacity, and to reduce food losses. This will reduce both operational and investment costs and enable more stable operation of the cooling system, leading to a more sustainable Norwegian industry.