Hőtárolási technológia

Hőenergia, mint az emberiség egyik legfontosabb energiaforrása, működési elve alapján alapvetően három kategóriába sorolható: érzékelhető hőtárolás, látens termikus (fázisváltásos) hőtárolás és termokémiai hőtárolás. A végső energiafogyasztás 40-50%-át teszi ki, és alkalmazásai rendkívül szélesek-. A jelenlegi energetikai fejlesztési és hasznosítási rendszerben szinte minden energiaátalakítási folyamat hőenergiával jár. Az energiaátalakítás során bekövetkező elkerülhetetlen energiaveszteség miatt azonban a hőtárolási technológiát ritkán alkalmazzák közvetlenül az elektromos energia tárolására (vagyis olyan helyzetekben, amikor a bemenet és a kimenet is elektromos energia). Ehelyett gyakrabban használják az energiaátalakítási lánc láncszemeként, vagy egyszerűen termikus rendszerekben alkalmazzák.

Értelmes hőtárolás

Az érzékeny hőtárolási technológia a hő tárolásának és leadásának módja az anyag hőmérsékletének változásainak felhasználásával. Működési mechanizmusa viszonylag egyszerű: a hőtárolást vagy -leadást a közeg melegítésével vagy hűtésével érik el. A folyamat során a közeg nem megy át kémiai átalakuláson vagy fázisváltozáson, így az egész rendszer könnyen vezérelhető és stabilan működik. Ezen túlmenően számos ilyen hőtároló anyag áll rendelkezésre alacsony áron, így alkalmasak nagyszabású-alkalmazásokra. Ez a technológia nemcsak nagyon kiforrott, hanem széles körű alkalmazási lehetőségeket is mutat számos területen. Az ésszerű hőtárolás azonban bizonyos kihívásokkal is szembesül, például alacsony energiasűrűséggel, nagy berendezésmérettel, jelentős hőveszteséggel a hosszú távú tárolás során- és instabil kimeneti hőmérséklettel. Az érzékeny hőtároló közegek nagyjából két kategóriába sorolhatók: folyékony és szilárd. A szokásos folyékony hőtároló anyagok közé tartozik a víz, a hőolaj, az olvadt só és a folyékony fém. Ezek közül a víz, jó biztonsága és stabilitása, valamint az, hogy hőtárolós hőmérséklete jellemzően nem haladja meg a 100 fokot, széles körben használatos szoláris vízfűtési rendszerekben és helyiségek fűtésében. A kiváló hővezető képességgel és széles üzemi hőmérséklet-tartományukkal rendelkező hőolajokat a korai közepes{12}} és magas{13}}hőmérsékletű hőenergia-tároló alkalmazásokban használták; magas költségük, gyúlékonyságuk és a zárt hurkú rendszerekben fennálló potenciális magas nyomású{14}} Ezzel szemben az olvadt sók alacsony telített gőznyomásukkal, alacsony viszkozitásukkal, magas hővezető képességükkel, nem-gyúlékonyságukkal és nem-toxicitásukkal jól teljesítenek a főbb gőzparamétereknek megfelelő hőmérsékleten, és viszonylag olcsók, így ideális választásnak tekinthetők a napenergiával történő termoelektromos átalakításhoz. Rendkívül magas környezeti hőmérsékleten azonban az olvadt sók korrodálhatják a csővezetékeket és a kapcsolódó berendezéseket, ami további kutatást tesz szükségessé, valamint a rozsdamentes acéllal való kompatibilitásuk és hőállóságuk javítását teszi szükségessé. A folyékony fémek rendkívül magas hővezető képességük miatt potenciálisan magas hőmérsékletű (600 fok feletti) hőtároló megoldásnak számítanak; Erősen reakcióképes kémiai tulajdonságaik miatt azonban további biztonsági intézkedések szükségesek a rendszer normál működésének biztosításához, és magas költségük miatt a feltárás korai szakaszában maradnak.

A szokásos szilárd hőtároló anyagok közé tartozik a beton, a kőzet és a tűzálló tégla. A folyékony hőtároló anyagokhoz képest a szilárd hőtároló anyagok magasabb hőmérsékleten működhetnek, és több hőt tárolhatnak ugyanabban a térben, ami a szükséges anyagmennyiség csökkenését és az összköltség csökkenését jelenti.

Látens hő (fázisváltás) hőtárolás

A fázisváltós hőenergia-tárolási technológia elsősorban a látens hőre, mint fő energiatárolási formájára támaszkodik. Ez a technológia nagy mennyiségű látens hő elnyelését vagy felszabadítását használja fel a fázisátalakulások során a hő tárolására. A folyamat során az anyag hőmérséklete szinte állandó marad. Ennek a hőenergia-tárolási technológiának jelentős előnyei vannak, mint például a nagy energiasűrűség és a kis térfogat.

Azt a folyamatot, amelynek során az anyag egyik állapotból a másikba átalakul, fázisátalakulásnak nevezzük. Ez az átmenet jellemzően izoterm vagy közeli izotermikus körülmények között megy végbe, és jelentős energiaváltozással,-nagy mennyiségű hő elnyelésével vagy leadásával jár. Ezt az energiát a fázisátalakulás látens hőjeként határozzák meg. Különösen a legtöbb anyag fázisátalakulásában részt vevő látens hő sokkal nagyobb, mint az érzékelhető hőé. Például a víz fajlagos hőkapacitása hozzávetőlegesen 4,2 kJ/kg· fok, és a szilárd halmazállapotból folyékony állapotba való átmenet (a jég vízzé olvadása) során a víz 355 kJ/kg energiát képes felvenni a fázisátalakulás látens hőjeként. Ezért az energiasűrűség szempontjából a fázisátalakulás látens hőjének hasznosítása lényegesen felülmúlja azokat a módszereket, amelyek kizárólag érzékelhető hőre támaszkodnak.

Az anyagok fázisátalakulásának négy típusa van: szilárd-szilárd, szilárd-folyékony, szilárd-gáz és folyékony-gáz. Bár a szilárd-gáz és a folyékony-gáz átmenetek látens hőértékei magasak, a jelentős térfogatváltozások ezekben az esetekben megnehezítik a gyakorlati működést, így korlátozzák alkalmazásukat. Ezzel szemben a szilárd -szilárd fázisátalakulások, amelyek akkor fordulnak elő, amikor egy szilárd anyag egyik kristályos állapotból a másikba alakul át, kisebb térfogatváltozást és kisebb túlhűtést mutatnak, de a felszabaduló vagy elnyelt hő általában alacsonyabb, mint a többi fázisátalakulási folyamat. A szilárd{10}}folyékony fázisátalakulások során az anyag szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotúvá változik. Bár ehhez a folyamathoz speciális tartályra van szükség a folyadék tárolására, a térfogatváltozás sokkal kisebb, mint a szilárd-gáz és a folyékony-gáz fázisátalakulások esetén, és a rejtett hő lényegesen nagyobb, mint a szilárd{14}}szilárd fázisú átalakulásoknál. Tekintettel ezekre a jellemzőkre, a szilárd{16}}folyékony fázisátalakulást jelenleg a legpraktikusabb és legszélesebb körben alkalmazható fázisváltozás hőtárolási módszernek tekintik.

Jelenleg sokféle anyagot használnak a fázisváltós hőtárolási technológiában, amelyek kémiai összetételük alapján két kategóriába sorolhatók: szerves és szervetlen. A szerves fázisváltó anyagok főként olyan anyagokat tartalmaznak, mint a paraffinviasz, alkoholok és zsírsavak; míg a szervetlen fázisváltó anyagokat kristályos hidratált sók, olvadt sók és fémek vagy ötvözeteik képviselik. Általánosságban elmondható, hogy a szerves fázisváltó anyagok alkalmasabbak hőenergia tárolására az alacsony és közepes hőmérsékleti tartományban, míg a szervetlen fázisváltó anyagok jobb hőenergia-tárolási teljesítményt mutatnak közepes és magas hőmérsékleti körülmények között.

Termokémiai hőtároló

A hőkémiai hőenergia-tárolási technológia egységnyi térfogatra vetítve rendkívül magas energiasűrűséggel büszkélkedhet, amely eléri a GJ/m³ nagyságrendet. Összehasonlításképpen: az érzékeny hőtároló anyagok energiasűrűsége csak körülbelül egytizede, a látens hőtároló anyagoké pedig csak a fele. Ezenkívül a reaktánsok szétválasztásával ez a technológia zéró -veszteségű hőenergia tárolást érhet el szobahőmérsékleten, így széles körben az egyik legígéretesebb technológiának tartják a nagy-hosszú- hőenergia tárolására. Az energiatárolási folyamatban részt vevő különböző kémiai kötésváltozások alapján a termokémiai hőenergia-tárolás további két fő kategóriába sorolható: kemiszorpciós hőenergia-tárolás és kémiai reakciós hőenergia-tárolás.

A kemisorpciós hőtároló különösen alkalmas alacsony{0}}hőmérsékletű környezetben történő alkalmazásokhoz. A szilárd adszorbensek és a gáznemű adszorbensek közötti fizikai vagy kémiai intermolekuláris erők (például van der Waals-erők, elektrosztatikus erők és hidrogénkötések) kialakulására és megszakítására támaszkodik a hő tárolása és felszabadulása érdekében. Ez a technológia főleg két rendszerkategóriát foglal magában: az egyik egy hidratált sórendszer, amely vízgőzt használ adszorbátumként; a másik egy ammónia komplex rendszer, amely ammónia molekulákat használ adszorbátumként. Az 1-2. táblázat bemutatja számos általánosan használt kemiszorpciós hőtároló anyag konkrét típusait, hőtárolási/leadási hőmérsékletét és energiatárolási sűrűségét.

1-2. táblázat: Általánosan használt vegyi adszorpciós hőtároló anyagok tulajdonságai:

A kémiai reakciós hőenergia-tárolást főként közepes- és magas-hőmérsékletű körülmények között alkalmazzák, és rendszerei változatosak, beleértve a metánreformálást, az ammónia szintézisét és lebontását, a fémhidrideket, karbonátokat, fémoxidokat és fém-hidroxidokokat. Ezek a módszerek a hőenergia tárolását és felszabadítását érik el kémiai kötések felszakításával és rekombinációjával. Ez a fajta energiatárolás nagy reakcióértékekkel, nagy energiasűrűséggel és széles üzemi hőmérséklet-tartománnyal rendelkezik. A gyakorlati alkalmazásokban azonban továbbra is kihívások maradnak, beleértve a költségszabályozást, az anyagkorróziót és a gáztárolást. Ezért az általános teljesítmény javítása érdekében alapos-kutatást kell végezni a releváns reakciómechanizmusokkal kapcsolatban, és optimalizálni kell a folyamatfolyamatot.

A hőkémiai hőenergia-tároló rendszerek bonyolult felépítésűek és számos segédberendezéssel rendelkeznek, ami magas kezdeti beruházási költségeket eredményez. Jelenleg az egységnyi térfogatra jutó ultra-nagy energiasűrűségüket még nem használták ki teljesen. Ezen túlmenően, az érintett kémiai reakciómechanizmusok összetettsége miatt a reakciósebesség pontos szabályozása kihívást jelent, és egyes reakciófolyamatokhoz szigorú biztonsági követelmények vonatkoznak, tovább javítva a rendszer általános hatékonyságát. Ezért ezeknek a problémáknak a megoldásához további mélyreható{4}kutatásra van szükség a termokémiai hőenergia tárolási technológiával kapcsolatban.