Tehnologija termičkog skladištenja

Toplotna energija, kao jedan od najvažnijih izvora energije koje koristi čovječanstvo, uglavnom je klasificiran u tri kategorije na osnovu principa rada: senzibilno skladištenje topline, latentno termalno (promjena faze) termalno skladištenje i termohemijsko termalno skladištenje. Na njega otpada 40% do 50% finalne potrošnje energije, a njegove primjene su izuzetno široke-. U postojećem sistemu razvoja i korištenja energije, gotovo svi procesi konverzije energije uključuju toplinsku energiju. Međutim, zbog neizbježnog gubitka energije tokom konverzije energije, tehnologija skladištenja topline rijetko se direktno primjenjuje na skladištenje električne energije (tj. situacije u kojima su i ulaz i izlaz električna energija). Umjesto toga, češće se koristi kao karika u lancu konverzije energije ili se jednostavno primjenjuje na toplinske sisteme.

Razumno skladištenje toplote

Tehnologija senzibilnog skladištenja topline je metoda skladištenja i oslobađanja topline korištenjem promjena u temperaturi tvari. Njegov radni mehanizam je relativno jednostavan: skladištenje ili oslobađanje toplote se postiže zagrevanjem ili hlađenjem medija. Tokom ovog procesa, medij ne prolazi kroz hemijsku transformaciju ili faznu promjenu, što čini cijeli sistem lakim za kontrolu i stabilan rad. Nadalje, postoji mnogo vrsta takvih materijala za pohranu topline dostupnih po niskoj cijeni, što ih čini pogodnim za velike-primjene. Ova tehnologija ne samo da je veoma zrela, već takođe pokazuje širok potencijal primene u više polja. Međutim, razumno skladištenje topline se također suočava s nekim izazovima, kao što su niska gustina energije, velika veličina opreme, značajan gubitak topline tokom dugotrajnog-a skladištenja i nestabilna izlazna temperatura. Osjetljivi mediji za pohranu topline mogu se široko klasificirati u dvije kategorije: tekući i čvrsti. Uobičajeni tečni materijali za skladištenje toplote uključuju vodu, termalno ulje, rastopljenu so i tečni metal. Među njima, voda se, zbog svoje dobre sigurnosti i stabilnosti, te činjenice da njena temperatura skladištenja toplote obično ne prelazi 100 stepeni, široko koristi u solarnim sistemima za grijanje vode i grijanju prostora. Termalna ulja, sa svojom odličnom toplotnom provodljivošću i širokim rasponom radnih temperatura, korištena su u ranim srednjim- i visokim{13} aplikacijama za skladištenje toplotne energije; međutim, njihova visoka cijena, zapaljivost i potencijalni rizici visokog{14}}pritiska u zatvorenim-sistemima doveli su do njihove postepene zamjene drugim superiornim opcijama. Nasuprot tome, rastaljene soli, sa svojim niskim pritiskom zasićene pare, niskim viskozitetom, visokom toplotnom provodljivošću, nezapaljivošću i ne{18} toksičnošću, dobro rade na temperaturama koje odgovaraju glavnim parametrima pare i relativno su jeftine, što ih čini idealnim izborom za solarnu termoelektričnu konverziju. Međutim, pri ekstremno visokim temperaturama okoline, rastaljene soli mogu korodirati cjevovode i pripadajuću opremu, što zahtijeva daljnja istraživanja i poboljšanje njihove kompatibilnosti i otpornosti na toplinu s nehrđajućim čelikom. Tečni metali, zbog svoje izuzetno visoke toplotne provodljivosti, smatraju se potencijalnim rješenjima za pohranu topline na visokim temperaturama (preko 600 stepeni); međutim, s obzirom na njihova visoko reaktivna hemijska svojstva, potrebne su dodatne sigurnosne mjere kako bi se osigurao normalan rad sistema, a njihova visoka cijena ih drži u ranim fazama istraživanja.

Uobičajeni čvrsti materijali za skladištenje topline uključuju beton, stijene i vatrostalne cigle. U poređenju sa tekućim materijalima za skladištenje toplote, čvrsti materijali za skladištenje toplote mogu da rade na višim temperaturama i skladište više toplote u istom prostoru, što znači smanjenje količine potrebnog materijala i smanjenje ukupnih troškova.

Skladištenje latentne topline (promjena faze).

Tehnologija skladištenja toplotne energije sa promenom faze prvenstveno se oslanja na latentnu toplotu kao svoj glavni oblik skladištenja energije. Ova tehnologija koristi apsorpciju ili oslobađanje velike količine latentne toplote tokom faznih prelaza za skladištenje toplote. Tokom ovog procesa, temperatura materijala ostaje gotovo konstantna. Ova tehnologija skladištenja toplotne energije ima značajne prednosti kao što su visoka gustoća energije i mala zapremina.

Proces kojim materija prelazi iz jednog stanja u drugo naziva se fazni prijelaz. Tipično, ovaj prijelaz se dešava u izotermnim ili blizu-izotermnim uvjetima i praćen je značajnom promjenom energije-apsorpcijom ili oslobađanjem velike količine topline. Ova energija se definira kao latentna toplina faznog prijelaza. Konkretno, latentna toplina uključena u fazni prijelaz većine materijala je mnogo veća od topline osjetljive. Na primjer, voda ima specifični toplotni kapacitet od približno 4,2 kJ/kg· stepen, a tokom prelaska iz čvrstog u tečno stanje (otopljenje leda u vodu), voda može apsorbirati 355 kJ/kg energije kao latentnu toplotu faznog prijelaza. Stoga je, u smislu gustine energije, korištenje latentne topline faznog prijelaza značajno superiornije od metoda koje se oslanjaju isključivo na osjetljivu toplinu.

Fazni prijelazi materije uglavnom uključuju četiri vrste: čvrsti-čvrsti, čvrsti-tečni, čvrsti-gasovi i tečni-gasovi. Iako prijelazi čvrstog-gasa i tekućeg-gasa imaju visoke vrijednosti latentne topline, značajne promjene zapremine u ovim slučajevima povećavaju poteškoće praktičnog rada, čime se ograničava njihova primjena. Nasuprot tome, prijelazi čvrste{8}}čvrste faze, do kojih dolazi kada se čvrsti materijal transformira iz jednog kristalnog stanja u drugo, pokazuju manje promjene volumena i niže prehlađenje, ali je toplina koja se oslobađa ili apsorbira općenito niža od ostalih procesa faznog prijelaza. U prijelazima čvrste{10}}tečne faze, materija prelazi iz čvrstog u tečno stanje. Iako je za ovaj proces potreban poseban spremnik za držanje tekućine, promjena zapremine je mnogo manja nego kod prijelaza u čvrstoj-gasnoj i tečnoj{13}}gasnoj fazi, a uključena latentna toplina je znatno veća nego kod prijelaza čvrste{14}}čvrste faze. S obzirom na ove karakteristike, čvrsti-tečni fazni prijelazi se trenutno smatraju najpraktičnijim i široko primjenjivim metodom termičkog skladištenja s faznom promjenom.

Trenutno postoji mnogo vrsta materijala koji se koriste u tehnologiji termoakumulacije sa promenom faze, uglavnom podeljenih u dve kategorije na osnovu njihovog hemijskog sastava: organski i neorganski. Materijali za promenu organske faze uglavnom uključuju supstance kao što su parafinski vosak, alkoholi i masne kiseline; dok su neorganski materijali s promjenom faze predstavljeni kristalno hidratiziranim solima, rastaljenim solima i metalima ili njihovim legurama. Uopšteno govoreći, materijali s organskom promjenom faze su pogodniji za skladištenje toplinske energije u rasponu niskih do srednjih temperatura, dok neorganski materijali s promjenom faze pokazuju bolje performanse skladištenja toplinske energije u uvjetima srednje do visoke temperature.

Termohemijsko termalno skladištenje

Termohemijska tehnologija skladištenja toplotne energije može se pohvaliti izuzetno velikom gustinom energije po jedinici zapremine, koja dostiže redosled GJ/m³. Za usporedbu, gustina energije osjetljivih materijala za pohranu topline je samo oko jedne-desetine, a gustina energije materijala za pohranu latentne topline je samo polovina. Nadalje, odvajanjem reaktanata, ova tehnologija može postići nulti gubitak-skladištenja toplotne energije na sobnoj temperaturi, te se stoga smatra jednom od najperspektivnijih tehnologija za-i dugotrajno-pohranjivanje toplotne energije. Na osnovu različitih promjena kemijskih veza uključenih u proces skladištenja energije, termohemijsko skladištenje toplinske energije može se dalje podijeliti u dvije glavne kategorije: kemisorpciono skladištenje toplotne energije i skladištenje toplotne energije hemijske reakcije.

Hemisorpciona termalna pohrana je posebno pogodna za primjene u okruženjima niskih{0}temperatura. Oslanja se na formiranje i razbijanje fizičkih ili kemijskih intermolekularnih sila (kao što su van der Waalsove sile, elektrostatičke sile i vodikove veze) između čvrstih adsorbenata i plinovitih adsorbata kako bi se postiglo skladištenje i oslobađanje topline. Ova tehnologija uglavnom uključuje dvije kategorije sistema: jedan je hidratizirani sistem soli koji koristi vodenu paru kao adsorbat; drugi je sistem kompleksa amonijaka koji koristi molekule amonijaka kao adsorbat. Tabela 1-2 prikazuje specifične tipove, temperature skladištenja/otpuštanja toplote i gustine skladištenja energije nekoliko najčešće korišćenih hemisorpcionih materijala za skladištenje toplote.

Tabela 1-2 Svojstva najčešće korištenih hemijskih adsorpcijskih materijala za termičko skladištenje:

Hemijsko reakciono skladištenje toplotne energije se uglavnom primenjuje u uslovima srednjih{0}} i visokih-temperatura, a njegovi sistemi su raznovrsni, uključujući reformisanje metana, sintezu i razgradnju amonijaka, metalne hidride, karbonate, okside metala i hidrokside metala. Ovim metodama se postiže skladištenje i oslobađanje toplotne energije razbijanjem i rekombinacijom hemijskih veza. Ovaj tip skladištenja energije ima velike reakcione vrednosti, visoku gustinu energije i širok raspon radnih temperatura. Međutim, u praktičnim primjenama ostaju izazovi, uključujući kontrolu troškova, koroziju materijala i skladištenje plina. Stoga je potrebno provesti-dubina istraživanja relevantnih mehanizama reakcije i optimizirati tok procesa kako bi se poboljšale ukupne performanse.

Termohemijski sistemi za skladištenje toplotne energije imaju složenu strukturu i brojne pomoćne uređaje, što rezultira visokim početnim investicionim troškovima. Trenutno, njihova ultra-visoka gustoća energije po jedinici zapremine nije u potpunosti iskorištena. Nadalje, zbog složenosti uključenih mehanizama hemijske reakcije, precizna kontrola brzina reakcije je izazovna, a neki reakcioni procesi imaju stroge sigurnosne zahtjeve, dodatno poboljšavajući ukupnu efikasnost sistema. Stoga su potrebna dalja dubinska istraživanja termohemijske tehnologije skladištenja toplotne energije da bi se riješili ovi problemi.