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

PCM-STORE samler meierier, fiskeindustrien, næringsmiddelindustrien, teknologileverandører og kraftnettoperatører 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, er kompetansen i Norge på kald TES (CTES) foreløpig begrenset. PCM-STORE vil håndtere denne utfordringen ved å utvikle lavtemperatur TES-systemer basert på faseendringsmaterialer (PCM) for industrielle kjøle- og fryseprosesser. Tre case-studier som representerer forskjellige temperaturområder er identifisert som potensielle kandidater for implementering av PCM-CTES: industrielle fryseprosesser og kuldelagring i matprosesser og kjøle-/frysedisker i dagligvarebutikker. Anvendelse av PCM krever god forståelse av begrensende fenomener som superkjøling, lav varmeledning, faseseparasjon og lav varmeoverføringshastighet. PCM-STORE vil kombinere detaljert numerisk modellering av disse fenomenene, dynamisk systemmodellering av PCM-CTES-enheter integrert i utvalgte industrielle anvendelser, eksperimentell validering av modellene samt pilotdemonstrasjoner i lab-skala. 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. Siden prosjektet begynte, er en rekke kommersielle PCM'er undersøkt i våre laboratoriefasiliteter. Dette bidrar til å utvikle kompetanse innen PCM-karakterisering samt at det etableres en database med relevante PCM'er 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. 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. Gjennom besøk ved fabrikkene og jevnlig dialog har vi startet den omfattende modelleringen av industriprosesser fra våre brukerpartnere Norsk Kylling, Pelagia og Rørosmeieriet. Disse modellene, sammen med prosess- og energidata som viser deres dynamiske energibehov, vil gjøre det mulig å undersøke hvor PCM-CTES bør integreres. For de fleste brukerpartnerne er reduksjon av topplaster det prioriterte målet ved implementering av PCM-CTES. To nye typer varmevekslere, inkludert en levert av Alfa Laval, er i designfasen og vil bli benyttet til eksperimentell testing med PCM for å undersøke nye PCM-CTES-konfigurasjoner som kan bidra til å senke de nåværende investeringskostnadene for implementering av PCM-CTES-teknologier.

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.