Magazynowanie energii cieplnej – woda, PCM, stopione sole i termochemia

Magazyn ciepła nie musi być odpowiednikiem elektrycznego akumulatora. Energia może zostać zatrzymana przez podgrzanie wody, skały lub piasku, stopienie materiału PCM, rozgrzanie ciekłej soli albo przeprowadzenie odwracalnej reakcji chemicznej. Każda z tych metod ma inną gęstość energii, temperaturę pracy, czas przechowywania i koszt. Dlatego technologia dobra dla ogrzewania budynku może być zupełnie nieprzydatna przy piecu przemysłowym pracującym w 800°C.

Porównanie technologii magazynowania ciepła

Nie istnieje jeden parametr pozwalający ustawić te technologie w prostym rankingu. Woda jest znakomita, gdy dostępna jest duża objętość i temperatura rzędu kilkudziesięciu stopni. Stopiona sól ma sens przy kilkuset stopniach, a PCM wtedy, gdy szczególnie ważne jest utrzymanie temperatury w wąskim zakresie.

Woda – najprostszy i nadal jeden z najlepszych magazynów ciepła

Woda magazynuje energię jako ciepło jawne. Jej pojemność cieplna wynosi około 4,18 kJ/(kg·K), więc 1 m³ wody podgrzany o 50°C może zgromadzić około:

58 kWh energii cieplnej

To dużo jak na materiał, który jest tani, nietoksyczny, łatwy do pompowania i jednocześnie może pełnić funkcję nośnika ciepła.

Zalety

• bardzo niski koszt medium,
• wysokie ciepło właściwe,
• prosty pomiar temperatury i stanu naładowania,
• łatwe ładowanie i rozładowanie przez wymiennik,
• dobrze poznana technologia zbiorników.

Wady

• energia jest magazynowana kosztem zmiany temperatury,
• duży magazyn wymaga dużych i dobrze izolowanych zbiorników,
• temperatura przy ciśnieniu atmosferycznym jest ograniczona temperaturą wrzenia,
• podczas wielodniowego lub sezonowego przechowywania rośnie znaczenie strat przez izolację.

Przykłady zastosowań: domowe bufory ciepła, zasobniki c.w.u., instalacje z pompami ciepła, sieci ciepłownicze oraz wielkoskalowe zbiorniki magazynujące nadwyżkę ciepła przez kilka godzin lub dni.

Złoża stałe – tanie magazynowanie przy wysokiej temperaturze

Jeżeli temperatura procesu wynosi kilkaset stopni, woda przestaje być najprostszym rozwiązaniem. Ciepło można wtedy magazynować w materiałach stałych: kamieniu, piasku, ceramice, cegłach ogniotrwałych lub betonie wysokotemperaturowym.

Medium jest rozgrzewane bez zmiany fazy, podobnie jak woda, ale zakres ΔT może być znacznie większy.

Zalety

• bardzo tanie i łatwo dostępne materiały,
• możliwość pracy w temperaturach kilkuset, a dla odpowiednich materiałów nawet ponad 1000°C,
• brak ryzyka wycieku dużej ilości gorącej cieczy,
• duża trwałość wielu materiałów ceramicznych i mineralnych.

Wady

• złoże musi mieć znaczną objętość,
• ciepło trzeba doprowadzić do wnętrza materiału przez powietrze, gaz lub wymiennik,
• powtarzane nagrzewanie i chłodzenie wywołuje naprężenia termiczne,
• nierównomierny rozkład temperatury może ograniczać użyteczną pojemność magazynu.

Przykład zastosowania: magazyny z piaskiem lub cząstkami ceramicznymi ładowane energią elektryczną w godzinach nadwyżki produkcji. NREL rozwija system wykorzystujący cząstki stałe, który ma pracować przy temperaturach znacznie wyższych niż klasyczne stopione sole i magazynować energię przez około 10–100 godzin.

Stopione sole – sprawdzona technologia przy kilkuset stopniach

Najbardziej znane magazyny ze stopionymi solami powstały przy elektrowniach słonecznych CSP. Mieszanina azotanu sodu i azotanu potasu jest ogrzewana w odbiorniku słonecznym i pompowana do izolowanego zbiornika gorącej soli.

Kiedy potrzebna jest energia, gorąca sól przepływa przez wymiennik, gdzie wytwarzana jest para zasilająca turbinę.

Komercyjne układy CSP wykorzystują sole azotanowe w zakresie około 280–570°C. Istnieją instalacje z magazynem umożliwiającym około 10 godzin pracy bloku energetycznego bez bieżącego nasłonecznienia.

Zalety

• technologia działająca już w skali przemysłowej,
• duża różnica temperatur pomiędzy zbiornikiem zimnym i gorącym,
• medium może jednocześnie magazynować i transportować energię,
• możliwość współpracy z cyklem parowym i procesami przemysłowymi.

Wady

• klasyczne sole azotanowe zaczynają krzepnąć w okolicach 220°C,
• rurociągi i zbiorniki muszą być chronione przed wychłodzeniem,
• w wysokich temperaturach rośnie problem korozji materiałów konstrukcyjnych,
• duże zbiorniki gorącej soli wymagają kosztownych materiałów i izolacji.

Przykłady zastosowań: elektrownie CSP Gemasolar w Hiszpanii i Noor III w Maroku, a także rozwijane systemy magazynowania ciepła dla przemysłu.

PCM – duża pojemność bez dużej zmiany temperatury

Materiały zmiennofazowe wykorzystują ciepło utajone topnienia i krzepnięcia. Podczas przemiany mogą pochłonąć dużą ilość energii przy niewielkiej zmianie temperatury.

Typowe parafiny osiągają około 150–250 kJ/kg ciepła przemiany, a niektóre hydraty soli jeszcze więcej.

Największą przewagą PCM nie jest jednak sam rekord energii. Materiał może stabilizować system blisko temperatury swojej przemiany.

Zalety

• wysoka gęstość energii w wąskim zakresie temperatur,
• możliwość precyzyjnego doboru temperatury przemiany,
• pasywna stabilizacja temperatury,
• szeroki wybór materiałów od zastosowań chłodniczych po wysokotemperaturowe.

Wady

• wiele organicznych PCM bardzo słabo przewodzi ciepło,
• część materiałów wymaga kapsułkowania,
• hydraty soli mogą wykazywać przechłodzenie i segregację faz,
• niektóre materiały zmieniają parametry po dużej liczbie cykli.

Przykłady zastosowań: stabilizacja temperatury pomieszczeń, chłodzenie baterii, transport leków i produktów wymagających łańcucha chłodniczego, odzysk ciepła odpadowego oraz mobilne magazyny ciepła.

Mechanizmy działania, wartości entalpii i różnice pomiędzy parafinami oraz hydratami soli opisujemy szerzej w artykule Materiały zmiennofazowe PCM – ile ciepła potrafią zmagazynować?.

Magazynowanie termochemiczne – energia związana w reakcji

Najbardziej odmienną technologią jest magazynowanie termochemiczne. Energia nie jest tutaj przechowywana głównie przez utrzymywanie podwyższonej temperatury materiału.

Podczas ładowania dostarczone ciepło powoduje reakcję endotermiczną, np. rozdzielenie związku na dwa składniki. Produkty można następnie przechowywać oddzielnie. Po ich ponownym połączeniu zachodzi reakcja egzotermiczna i energia zostaje odzyskana.

Do tej grupy należą również magazyny sorpcyjne wykorzystujące między innymi zeolity i hydraty soli.

Zalety

• potencjalnie bardzo wysoka gęstość energii,
• energia może być przechowywana chemicznie bez utrzymywania całego magazynu w wysokiej temperaturze,
• bardzo małe straty podczas długotrwałego przechowywania rozdzielonych reagentów,
• duży potencjał dla magazynowania sezonowego.

Wady

• większa złożoność instalacji i reaktora,
• konieczność zapewnienia szybkiej i odwracalnej reakcji,
• degradacja materiałów podczas kolejnych cykli,
• problemy z transportem masy i ciepła wewnątrz złoża,
• niższy poziom dojrzałości niż magazynów wodnych lub stopionych soli.

Przykłady zastosowań: sezonowe magazynowanie ciepła słonecznego, systemy ogrzewania budynków oraz przyszłe magazyny wysokotemperaturowe dla przemysłu.

DOE rozwija między innymi systemy oparte na odwracalnych reakcjach hydratów soli. Ich ważną zaletą jest możliwość długiego przechowywania energii przy znacznie mniejszych stratach postojowych niż w magazynie, który musi przez cały czas pozostawać gorący.

Dobór magazynu zaczyna się od temperatury i czasu

Porównywanie technologii wyłącznie na podstawie liczby kWh przypadających na metr sześcienny może prowadzić do złych decyzji.

Najpierw należy określić cztery parametry:

• temperaturę ładowania i rozładowania,
• wymaganą pojemność energetyczną,
• moc ładowania i rozładowania,
• czas pomiędzy zmagazynowaniem a wykorzystaniem energii.

Magazyn ciepła bywa lepszy od magazynu elektrycznego

Jeżeli końcowym odbiornikiem energii ma być proces cieplny, przechodzenie przez magazyn energii elektrycznej nie zawsze jest uzasadnione.

Przykładowy ciąg:

fotowoltaika → akumulator → grzałka → ciepło

można w części zastosowań zastąpić przez:

fotowoltaika → grzałka → magazyn ciepła → proces

Drugi układ nie pozwala później dowolnie wykorzystać zgromadzonej energii jako elektryczności, ale może być znacznie prostszy i tańszy, jeśli rzeczywistym zapotrzebowaniem jest gorąca woda, para albo ogrzane powietrze procesowe.

DOE podkreśla właśnie tę zaletę TES: energia może być przechowywana bezpośrednio jako ciepło lub chłód i wykorzystana później bez niepotrzebnej konwersji pomiędzy energią cieplną i elektryczną.

Najtańszy materiał nie zawsze tworzy najtańszy magazyn

Piasek, kamień czy woda są bardzo tanie. Koszt medium jest jednak tylko częścią inwestycji.

Pełny system obejmuje również:

• zbiorniki lub komory magazynowe,
• izolację termiczną,
• wymienniki,
• pompy lub wentylatory,
• rurociągi,
• układ sterowania,
• zabezpieczenia przed korozją i naprężeniami cieplnymi.

Magazyn o ogromnej pojemności, ale małej powierzchni wymiany ciepła może mieć dobrą gęstość energii i jednocześnie zbyt małą moc rozładowania.

Dlatego w praktyce pojemność i moc są dwoma niezależnymi wymiarami projektu. Duży zbiornik mówi, ile energii można zgromadzić. Wymiennik i transport ciepła decydują, jak szybko można ją wykorzystać.

Komisja Europejska klasyfikuje magazyny wodne, część magazynów ze złożami stałymi i stopione sole jako technologie już komercyjnie dojrzałe. PCM oraz systemy sorpcyjne znajdują się na różnych etapach wdrożeń, natomiast wiele koncepcji termochemicznych pozostaje nadal na niższym poziomie gotowości technologicznej.

Najbardziej dojrzała technologia magazynowania ciepła jest często najprostsza. Innowacja staje się potrzebna dopiero wtedy, gdy wymagania dotyczące temperatury, miejsca, czasu przechowywania albo gęstości energii przestają być możliwe do spełnienia przez zwykły zbiornik wody czy złoże stałe.