Nowe możliwości akumulacji ciepła i chłodu

INSTALACJE GRZEWCZE
Nowe możliwości akumulacji ciepła i chłodu
Maciej Danielak
Coraz powszechniejsze stosowanie odnawialnych źródeł energii oraz konieczność zapewnienia wysokiej efektywności energetycznej sprzyjają rozwojowi technologii związanych
z magazynowaniem energii cieplnej. Miejmy nadzieję, że przyspieszy to wykorzystanie rozwiązań, które – choć znane – wciąż czekają na szersze wejście na rynek instalacyjny.
N
a początek trochę danych statystycznych.
Jak wiemy energia końcowa, która jest
zużywana przez konsumentów, przede wszystkim jest przeznaczana na wytworzenie ciepła, elektryczności oraz potrzeby transportu.
Elektryczność
20%
Ciepło
49%
Transport
31%
ma decydujące znaczenie dla spełnienia założeń klimatycznych Unii Europejskiej.
Jedną z zasadniczych barier rozwoju systemów opartych o wykorzystanie źródeł odnawialnych jest jednak ich specyfika: nieregularne występowanie, ograniczona moc lub
jej duże wahania. Magazynowanie energii
cieplnej to często kluczowy warunek niezawodnej pracy takich systemów. Zasobniki
ciepła są więc ważnym ogniwem w procesie
bardziej efektywnego wykorzystania OZE,
ale też polepszenia współczynników energetycznych konwencjonalnych instalacji. Znanych jest już kilka systemów akumulacji ciepła, przy czym systemy wodne są stosowane
najczęściej.
Co wybieramy, czego nie znamy
Połączenie systemu zasilania budynku
chłodem czy ciepłem z odpowiednim systemem magazynowania energii to klucz
do sukcesu – energooszczędnego i trwałego układu. W zależności od rodzaju źródła
energii oraz zadań różne są wymagania
co do budowy zasobnika energii. Biorąc
pod uwagę cechy użytkowe, najważniejszymi parametrami charakteryzującymi
zasobnik są:
⚫⚫temperatura, przy której pobierana jest energia z zasobnika,
⚫⚫pojemność energetyczna, która wyraża się ilością zakumulowanej energii lub nominalnym
czasem rozładowywania.
Wymagania stawiane zasobnikom ciepła/chłodu
1. Struktura zużycia energii końcowej w UE, wg [1]
W Europie na potrzeby grzewcze w postaci
ciepła zużywa się prawie połowę energii końcowej (rys. 1), z czego 80% to ciepło o temperaturze poniżej 250ºC. Możliwość pokrycia
tego zapotrzebowania w sposób racjonalny
i energooszczędny (ze źródeł odnawialnych)
⚫⚫Duża gęstość energii, aby zasobnik zajmował możliwie małą przestrzeń (pojemność).
⚫⚫Wystarczająca moc ładowania i rozładowywania, aby zasobnik mógł przyjmować i oddawać wymagane strumienie energii.
⚫⚫Niskie straty w czasie postoju, a tym samym wysoka sprawność.
⚫⚫Trwałość konstrukcji i stabilność parametrów pracy w dłuższym czasie.
⚫⚫Odporność na warunki zewnętrzne.
⚫⚫Korzystna cena.
Zasobnik ciepła
Zasobnik ciepła
jawnego
akumulator
płynny
akumulator
stały
Zasobnik ciepła
utajonego
ciało
stałe/płyn
płyn/gaz
Zasobniki ciepła
termochemiczne
Zasobnik
sorpcyjny
Zasobnik
absorpcyjny
Zasobnik
chemiczny
Zasobnik
adsorpcyjny
2. Klasyfikacja zasobników ciepła w zależności od ich właściwości termodynamicznych
38 Polski Instalator 10/2014
Temperatura
INSTALACJE GRZEWCZE
ja
wn
e
j aw
ne
Odbiornik
Temperatura
przejścia fazowego
utajone
ja w
Źródło ciepła
ne
Zakumulowana energia cieplna
4. Przebieg temperaturowy jako funkcja zakumulowanej energii cieplnej w procesie jawnym
i utajonym (przemiany fazowej)
3. Wodny zasobnik ciepła jawnego
niu temperatury przy jej oddawaniu. Ponieważ wymieniana jest energia jawna związana
ze zmianą temperatury, zasobniki te nazywane są akumulatorami ciepła jawnego (rys. 3).
Są one powszechnie stosowane w instalacjach c.o. i c.w.u.
jest proporcjonalna do różnicy temperatury, utajona akumulacja energii prowadzi do przemiany
fazowej przy niezmienionej temperaturze (rys. 4).
Ta forma akumulacji energii znana jest z akumulatorów chłodu w postaci kostek lodu w wodzie.
Temperatura 0ºC utrzymuje się tak długo, jak
długo topnieje lód. Energia przemiany fazowej
jest relatywnie duża: energia potrzebna na topnienie wystarczy, aby taką samą ilość wody podgrzać od 0 do 80ºC.
Akumulacja ciepła utajonego
W przeciwieństwie do jawnej (odczuwalnej)
formy akumulacji ciepła, w której ilość energii
1200
fluorki
1000
Energia przemiany fazowej, [kJ/l]
Ważne kryteria to także średni czas ładowania (pobierania energii) oraz techniczne
możliwości stosowania (zasobniki dzienne,
okresowe czy sezonowe). Wymagania, jakie
powinno się stawiać dobrym zasobnikom,
zostały zestawione w ramce obok.
Zadaniem zasobników ciepła jest nie tylko
akumulowanie energii po to, by ją oddać
(jak to ma miejsce podczas ogrzewania), ale
także – w przypadku zasobników chłodu –
odbiór ciepła, które musi być odprowadzone
z budynku. Obecnie, jeśli chodzi o akumulację
ciepła, znane są cztery rodzaje zasobników:
⚫⚫zasobnik ciepła jawnego,
⚫⚫zasobnik ciepła utajonego,
⚫⚫zasobnik sorpcyjny,
⚫⚫zasobnik chemiczny.
Na rys. 2 przedstawiono klasyfikację zasobników ciepła ze względu na ich właściwości
termodynamiczne. Osiągalna teoretycznie
gęstość akumulacji dla tych urządzeń rośnie
od lewej strony zestawienia do prawej. Zależność ta jest, niestety, odwrotna jeśli chodzi
o techniczne rozpoznanie prezentowanych
zasobników i ich obecność na rynku.
Najczęściej spotykaną i stosowaną technologią są zasobniki ciepła jawnego. Jest to klasyczny, wodny zasobnik ciepła, w którym
energia cieplna akumulowana jest w różnicy
temperatury. Wodne zasobniki są powszechnie stosowane w instalacjach z kolektorami
słonecznymi. Mogą być zarówno zasobnikami ciepła, jak i chłodu.
węglany
800
chlorki
hydraty solne
600
400
klatraty
azotany
woda
0,1 kWh/l
200
0
- 100
wodorotlenki
wodne
roztwory soli
0
parafiny
alkohole polihydroksylowe
kwasy tłuszczowe
100
200
300
400
500
600
Temperatura topnienia, [ C]
700
800
900
1000
O
5. Klasy materiałów zmiennofazowych z temperaturą topnienia i energią przemiany fazowej, na podstawie [2]
Akumulacja ciepła jawnego
Najbardziej rozpowszechniona forma akumulacji ciepła bazuje na pobieraniu energii
przez podwyższanie temperatury materiału
akumulacyjnego oraz odpowiednio obniża-
www.polskiinstalator.com.pl
6. Schematyczna budowa oraz zdjęcie z mikroskopu elektronowego mikrokapsułek parafinowych w materiale budowlanym, [3]
39
INSTALACJE GRZEWCZE
Akumulacja/Desorpcja
Rozładowanie/Adsorpcja
Powietrze
+ woda
Powietrze
+ woda
ciepło
skraplania
ciepło
parowania
Zeolit
Powietrze
Powietrze
ciepło
adsorpcji
ciepło
desorpcji
7. Proces akumulacji i rozładowywania zasobnika sorpcyjnego
Efekt izotermiczny powoduje również dużo
mniejsze straty do otoczenia. W praktyce
wykorzystuje się przemianę fazową ciało
stałe/płyn, gdyż przemianie fazowej płyn/
gaz towarzyszą duże zmiany ciśnienia.
Zaletą materiałów zmiennofazowych jest
możliwość magazynowania energii w szerokim zakresie temperatury, ponieważ zmiany
ich stanu skupienia zachodzą w temperaturze od poniżej 0°C do przekraczającej 800°C
(rys. 5). Daje to możliwość magazynowania
zarówno ciepła, jak i chłodu, a więc wykorzystania tych materiałów w procesach grzewczych i klimatyzacyjnych.
Zalety materiałów zmiennofazowych są
oczywiste, ich stosowanie jest jednak wciąż
rzadkie. Choć badania i rozwój nauki w tym
zakresie trwają już od dziesiątek lat, to dopiero od około 15 lat spotkać można na rynku
pewne produkty związane z tą formą akumulacji ciepła. Opracowanie sposobu zamykania
materiału zmiennofazowego w mikrokapsułkach ułatwiło wykorzystanie tej metody w materiałach budowlanych. Na rynku
9. Wartości teoretyczne potencjału akumulacyjnego zasobników chemicznych, wg [4]
dostępne są zarówno płyty gipsowe, jak
i zaprawy tynkarskie wykonane w technologii z mikrokapsułkami parafinowymi (rys. 6).
Zasobnik sorpcyjny
W zasobniku sorpcyjnym wykorzystuje się
i akumuluje znaczną ilość energii, zarówno
w procesie przemiany fazowej, jak i energii pochłaniania, czyli sorpcji, względnie
absorpcji. Przykładami materiałów sorpcyjnych są akumulatory z zeolitu lub silikażelu
i wody jako substancji roboczej (rys. 7).
Oba komponenty, czyli substancja robocza i sorbent, są przy doprowadzaniu ciepła
oddzielane. Podczas rozładowywania akumulatora woda w procesie adsorpcji łączy się
z sorbentem, w wyniku czego wydzielane jest
ciepło. Osiągana temperatura zależy zasadniczo od zastosowanego sorbentu i mieści się
w zakresie od 30 do 200°C. Oczywiście, wysoka temperatura adsorpcji (rozładowywania
zasobnika) wiąże się z wysoką temperaturą
desorpcji (ładowania zasobnika). Ze względów ekonomicznych ten typ zasobników nie
ciepło
woda/lód
O
O
+50 ...+130 C
-20 ...+20 C
Proces adsorpcji
ciepło
150 ...300 C
Piwo
8. Samochłodząca się puszka piwa
40 woda
O
O
30 ...80 C
Proces desorpcji
[2] Latentwärmespeicher in Gebäuden, BINE Themen Info I/2009
[4] Jacob van Berke:, Advanced Storage Concepts for Solar and
Low Energy Buildings, Thermal Energy Storage for Solar and
Low Energy Buildings – State of the Art, Juni 2005
para wodna
Zeolit
[1] http://www.estif.org
[3] http://www.ise.fraunhofer.de
Parownik
Sorber
materiał
nasączony wodą
To najbardziej obiecująca technologia, choć
nie znalazła jeszcze powszechnego zastosowania. Zasada chemicznej akumulacji ciepła wykorzystuje ciepło endotermicznych
reakcji chemicznych. Oznacza to, że związki
chemiczne przechodzą w wyższy stan energetyczny. W wyniku reakcji powstające substancje są od siebie fizycznie oddzielone.
Z tego powodu czas uwalniania zakumulowanej energii w reakcji egzotermicznej może
być dowolnie wybrany. W przypadku zasobników termochemicznych nie ma zatem
potrzeby ich izolowania.
Zasobniki termochemiczne nadają się
do sezonowej akumulacji energii, czyli
o cyklu zimowo/letnim. Energia zmagazynowana w objętości materiału (gęstość energii)
znacznie przewyższa możliwości zasobników wodnych oraz zmiennofazowych. ■
Literatura:
para wodna
Zeolit
Zeolit
Zasobnik chemiczny
Parownik
Sorber
Zawór
znalazł jeszcze powszechnego zastosowania
w branży grzewczej i klimatyzacyjnej. Jego
najpopularniejszym przykładem jest samochłodząca się puszka piwa (rys. 8).
O AUTORZE
dr inż. Maciej Danielak,
autor niezależny
Polski Instalator 10/2014