Lämpövarastointitekniikka

Lämpöenergia, yhtenä tärkeimmistä ihmiskunnan käyttämistä energianlähteistä, luokitellaan pääosin kolmeen kategoriaan sen toimintaperiaatteiden perusteella: järkevä lämmönvarastointi, piilevä lämpö (faasimuutos) lämpövarastointi ja termokemiallinen lämmönvarastointi. Sen osuus energian loppukulutuksesta on 40–50 %, ja sen sovellukset ovat erittäin laaja-alaisia. Nykyisessä energian kehittämis- ja hyödyntämisjärjestelmässä lähes kaikki energian muunnosprosessit sisältävät lämpöenergiaa. Kuitenkin johtuen väistämättömästä energiahäviöstä energian muuntamisen aikana, lämpövarastointitekniikkaa sovelletaan harvoin suoraan sähköenergian varastointiin (eli tilanteisiin, joissa sekä syöttö että lähtö ovat sähköenergiaa). Sen sijaan sitä käytetään useammin lenkkinä energian muuntoketjussa tai yksinkertaisesti lämpöjärjestelmissä.

Järkevä lämmönvarasto

Järkevä lämmönvarastointitekniikka on tapa varastoida ja vapauttaa lämpöä hyödyntämällä aineen lämpötilan muutoksia. Sen toimintamekanismi on suhteellisen yksinkertainen: lämmön varastointi tai vapautuminen saavutetaan lämmittämällä tai jäähdyttämällä väliainetta. Tämän prosessin aikana väliaineessa ei tapahdu kemiallista muutosta tai faasimuutosta, joten koko järjestelmää on helppo ohjata ja toimia vakaasti. Lisäksi tällaisia ​​lämmönvarastointimateriaaleja on saatavilla monen tyyppisiä edullisia kustannuksia, joten ne sopivat suuriin-mittakaavaisiin sovelluksiin. Tämä tekniikka ei ole vain erittäin kypsä, vaan se osoittaa myös laajan sovelluspotentiaalin useilla aloilla. Kuitenkin järkevä lämmönvarastointi kohtaa myös joitain haasteita, kuten alhainen energiatiheys, suuri laitekoko, merkittävä lämpöhäviö pitkäaikaisen varastoinnin aikana ja epävakaa lähtölämpötila. Järkevät lämmönvarastointiaineet voidaan luokitella laajasti kahteen luokkaan: nestemäisiin ja kiinteisiin. Yleisiä nestemäisen lämmön varastointimateriaaleja ovat vesi, lämpööljy, sula suola ja nestemäinen metalli. Näistä vettä käytetään laajasti aurinkovesilämmitysjärjestelmissä ja tilojen lämmityksessä hyvän turvallisuutensa ja stabiiliutensa sekä sen vuoksi, että sen lämmön varastointilämpötila ei tyypillisesti ylitä 100 astetta. Lämpööljyjä, joilla on erinomainen lämmönjohtavuus ja laaja käyttölämpötila-alue, on käytetty varhaisissa keski{12}} ja korkean lämpötilan lämpöenergian varastointisovelluksissa. Niiden korkea hinta, syttyvyys ja mahdolliset korkeapaineriskit suljetun kierron järjestelmissä ovat kuitenkin johtaneet niiden asteittaiseen korvaamiseen muilla ylivoimaisilla vaihtoehdoilla. Sitä vastoin sulat suolat, joilla on alhainen kylläinen höyrynpaine, alhainen viskositeetti, korkea lämmönjohtavuus, -syttymättömyytensä ja myrkyllisyytensä, toimivat hyvin lämpötiloissa, jotka vastaavat yleisiä höyryparametreja, ja ovat suhteellisen edullisia, joten niitä pidetään ihanteellisena vaihtoehtona aurinkoenergian lämpösähköiseen muuntamiseen. Erittäin korkeissa ympäristön lämpötiloissa sulat suolat voivat kuitenkin syövyttää putkistoja ja niihin liittyviä laitteita, mikä edellyttää lisätutkimusta ja niiden yhteensopivuuden ja lämmönkestävyyden parantamista ruostumattoman teräksen kanssa. Nestemäisiä metalleja äärimmäisen korkean lämmönjohtavuutensa vuoksi pidetään mahdollisena korkean lämpötilan (yli 600 asteen) lämpövarastointiratkaisuna. Kuitenkin niiden erittäin reaktiivisten kemiallisten ominaisuuksien vuoksi tarvitaan lisäturvatoimenpiteitä järjestelmän normaalin toiminnan varmistamiseksi, ja niiden korkea hinta pitää ne tutkimuksen alkuvaiheessa.

Yleisiä kiinteitä lämpövarastointimateriaaleja ovat betoni, kivi ja tulenkestävät tiilet. Nestemäisiin lämpövarastointimateriaaleihin verrattuna kiinteät lämpövarastomateriaalit voivat toimia korkeammissa lämpötiloissa ja varastoida enemmän lämpöä samaan tilaan, mikä tarkoittaa tarvittavan materiaalin määrän ja kokonaiskustannusten pienenemistä.

Piilevä lämmön (vaiheen muutos) lämpövarastointi

Vaihemuutoslämpöenergian varastointiteknologia luottaa ensisijaisesti piilevään lämpöön pääasiallisena energian varastointimuotona. Tämä tekniikka hyödyntää suurten määrien piilevän lämmön imeytymistä tai vapauttamista faasisiirtymien aikana lämmön varastoimiseksi. Tämän prosessin aikana materiaalin lämpötila pysyy lähes vakiona. Tällä lämpöenergian varastointitekniikalla on merkittäviä etuja, kuten suuri energiatiheys ja pieni tilavuus.

Prosessia, jossa aine muuttuu tilasta toiseen, kutsutaan faasisiirtymäksi. Tyypillisesti tämä siirtymä tapahtuu isotermisissä tai lähellä-isotermisissä olosuhteissa, ja siihen liittyy merkittävä energiamuutos-suuren lämpömäärän imeytyminen tai vapautuminen. Tämä energia määritellään faasimuutoksen piileväksi lämmöksi. Erityisesti useimpien materiaalien faasimuutokseen osallistuva piilevä lämpö on paljon suurempi kuin järkevän lämmön. Esimerkiksi veden ominaislämpökapasiteetti on noin 4,2 kJ/kg· astetta, ja siirtyessään kiinteästä tilasta nestemäiseen (jään sulaminen veteen) vesi voi absorboida 355 kJ/kg energiaa piilevänä faasimuutoslämmönä. Siksi faasisiirtymän piilevän lämmön hyödyntäminen on energiatiheyden kannalta huomattavasti parempi vaihtoehto kuin menetelmiä, jotka luottavat pelkästään järkevään lämpöön.

Aineen faasisiirtymiin kuuluu pääasiassa neljää tyyppiä: kiinteä-kiinteä, kiinteä-neste, kiinteä-kaasu ja nestemäinen-kaasu. Vaikka kiinteän-kaasun ja nestemäisen-kaasun siirtymillä on korkeat piilevät lämpöarvot, merkittävät tilavuuden muutokset näissä tapauksissa vaikeuttavat käytännön käyttöä ja rajoittavat siten niiden käyttöä. Sitä vastoin kiinteän -kiinteän faasin siirtymät, jotka tapahtuvat kiinteän aineen muuttuessa kiteisestä tilasta toiseen, osoittavat pienempiä tilavuuden muutoksia ja alhaisempaa alijäähdytystä, mutta vapautuva tai absorboitunut lämpö on yleensä pienempi kuin muissa faasimuutosprosesseissa. Kiinteissä{10}}nestefaasimuutoksissa aine muuttuu kiinteästä tilasta nestemäiseksi. Vaikka tämä prosessi vaatii tietyn säiliön nesteen säilyttämiseen, tilavuuden muutos on paljon pienempi kuin kiinteän -kaasun ja nestekaasun{13}}faasimuutoksissa, ja piilevä lämpö on huomattavasti suurempi kuin kiinteän{14}}kiinteän faasin muutoksissa. Nämä ominaisuudet huomioon ottaen kiinteän -nestefaasisiirtymän katsotaan tällä hetkellä olevan käytännöllisin ja laajimmin käytettävä faasimuutosten lämpövarastointimenetelmä.

Tällä hetkellä faasimuutoslämpövarastointiteknologiassa käytetään monenlaisia ​​materiaaleja, jotka jaetaan pääasiassa kahteen luokkaan niiden kemiallisen koostumuksen perusteella: orgaaniset ja epäorgaaniset. Orgaaniset faasinmuutosmateriaalit sisältävät pääasiassa aineita, kuten parafiinivahaa, alkoholeja ja rasvahappoja; kun taas epäorgaanisia faasimuutosmateriaaleja edustavat kiteiset hydratoidut suolat, sulat suolat ja metallit tai niiden seokset. Yleisesti ottaen orgaaniset faasinmuutosmateriaalit sopivat paremmin lämpöenergian varastointiin matalan ja keskilämpötilan alueella, kun taas epäorgaaniset faasinmuutosmateriaalit osoittavat parempaa lämpöenergian varastointikykyä keskipitkissä ja korkeissa lämpötiloissa.

Termokemiallinen lämpövarasto

Termokemiallinen lämpöenergian varastointitekniikka tarjoaa erittäin korkean energiatiheyden tilavuusyksikköä kohti, joka on GJ/m³:n luokkaa. Vertailun vuoksi järkevän lämmönvarastointimateriaalin energiatiheys on vain noin kymmenesosa ja piilevien lämpövarastointimateriaalien vain puolet. Lisäksi erottamalla reagoivat aineet tällä tekniikalla voidaan saavuttaa nolla-häviöllinen lämpöenergian varastointi huoneenlämpötilassa, minkä vuoksi sitä pidetään laajalti yhtenä lupaavimmista teknologioista laajamittaiseen ja pitkäaikaiseen lämpöenergian varastointiin. Energian varastointiprosessiin liittyvien erilaisten kemiallisten sidosmuutosten perusteella termokemiallinen lämpöenergian varastointi voidaan jakaa edelleen kahteen pääluokkaan: lämpöenergian kemisorptiovarastointi ja kemiallisen reaktion lämpöenergian varastointi.

Kemisorptiolämpövarastointi soveltuu erityisen hyvin sovelluksiin matalissa{0}}lämpötiloissa. Se perustuu fysikaalisten tai kemiallisten molekyylien välisten voimien (kuten van der Waalsin voimien, sähköstaattisten voimien ja vetysidosten) muodostumiseen ja rikkoutumiseen kiinteiden adsorbenttien ja kaasumaisten adsorbaattien välillä lämmön varastoinnin ja vapautumisen saavuttamiseksi. Tämä tekniikka sisältää pääasiassa kaksi järjestelmäluokkaa: toinen on hydratoitu suolajärjestelmä, joka käyttää vesihöyryä adsorbaattina; toinen on ammoniakkikompleksijärjestelmä, jossa käytetään ammoniakkimolekyylejä adsorbaattina. Taulukossa 1-2 on esitetty useiden yleisesti käytettyjen kemisorptiolämpövarastointimateriaalien tietyt tyypit, lämmön varastointi-/päästölämpötilat ja energian varastointitiheydet.

Taulukko 1-2 Yleisesti käytettyjen kemiallisten adsorptiolämpövarastointimateriaalien ominaisuudet:

Kemiallisen reaktion lämpöenergian varastointia käytetään pääasiassa keski{0}}- ja korkean-lämpötiloissa, ja sen järjestelmät ovat erilaisia, mukaan lukien metaanin reformointi, ammoniakin synteesi ja hajottaminen, metallihydridit, karbonaatit, metallioksidit ja metallihydroksidit. Näillä menetelmillä saavutetaan lämpöenergian varastointi ja vapautuminen kemiallisten sidosten katkeamisen ja rekombinoinnin kautta. Tämän tyyppisellä energiavarastolla on suuret reaktioarvot, korkea energiatiheys ja laaja käyttölämpötila-alue. Käytännön sovelluksissa on kuitenkin edelleen haasteita, kuten kustannusten hallinta, materiaalikorroosio ja kaasun varastointi. Siksi on tarpeen tehdä perusteellista-tutkimusta asiaankuuluvista reaktiomekanismeista ja optimoida prosessikulku yleisen suorituskyvyn parantamiseksi.

Termokemiallisilla lämpöenergian varastointijärjestelmillä on monimutkaiset rakenteet ja lukuisat apulaitteet, mikä johtaa korkeisiin alkuinvestointikustannuksiin. Tällä hetkellä niiden erittäin-korkeaa energiatiheyttä tilavuusyksikköä kohti ei ole täysin hyödynnetty. Lisäksi mukana olevien kemiallisten reaktiomekanismien monimutkaisuuden vuoksi reaktionopeuden tarkka hallinta on haastavaa, ja joillakin reaktioprosesseilla on tiukat turvallisuusvaatimukset, mikä parantaa järjestelmän kokonaistehokkuutta. Siksi tarvitaan lisää syvällistä tutkimusta-termokemiallisesta lämpöenergian varastointitekniikasta näiden ongelmien ratkaisemiseksi.