Akumulรกcia tepelnej energie v solรกrnych systรฉmoch
V rรกmci metรณd akumulรกcie tepelnej energie existujรบ tri spรดsoby, ako moลพno teplo uskladลovaลฅ na neskorลกie vyuลพitie. ฤlรกnok sa zaoberรก metรณdami akumulรกcie tepelnej energie zo slneฤnรฉho ลพiarenia, ktorรฉ prispievajรบ k efektรญvnemu a ekologickรฉmu vyuลพitiu slneฤnej energie v procese vรฝroby tepla.
Vyuลพรญvanie obnoviteฤพnรฝch zdrojov energie na vรฝrobu tepla predstavuje nevyhnutnรฝ proces pri snahe redukovaลฅ podiel fosรญlnych palรญv pri vรฝrobe tepelnej energie. Napriek tomu, ลพe snaha zvรฝลกiลฅ podiel vyuลพitia obnoviteฤพnej energie narastรก, vรคฤลกina tepelnej energie sa stรกle produkuje prรกve z procesu spaฤพovania fosรญlnych palรญv, ฤo mรก negatรญvny vplyv na ลพivotnรฉ prostredie. V sรบฤasnosti existujรบ viacerรฉ metรณdy, ako vyuลพiลฅ obnoviteฤพnรฉ zdroje energie na vรฝrobu tepelnej a elektrickej energie. Najvรคฤลกรญ energetickรฝ potenciรกl spomedzi vลกetkรฝch obnoviteฤพnรฝch zdrojov energie mรก pritom bezpodmieneฤne slneฤnรก energia.
Slneฤnรก energia
Slnko ako zdroj tepla predstavuje vรฝhodnรบ alternatรญvu k fosรญlnym palivรกm, keฤลพe jeho energia je nevyฤerpateฤพnรก a pri vyลพarovanรญ tepla do atmosfรฉry sa neprodukujรบ ลพiadne emisie. Slneฤnรฉ ลพiarenie je enormnรฝm zdrojom tepelnej energie โ ลพiarenie, ktorรฉ dopadรก zo Slnka na zemskรบ atmosfรฉru, predstavuje pribliลพne 174 PW (1 PW = 1015 W). Dopadom na zemskรฝ povrch sa intenzita ลพiarenia zniลพuje, a to prostrednรญctvom odrazu a absorpcie v atmosfรฉre (6 % odraz, 16 % absorpcia) a takisto vplyvom oblakov nad zemskรฝm povrchom (20 % odraz, 3 % absorpcia). Na zemskรฝ povrch tak dopadรก zvyลกnรฝch pribliลพne 89 PW slneฤnรฉho ลพiarenia.
Z hฤพadiska nรญzkej intenzity a nerovnomernosti slneฤnรฉho ลพiarenia v ฤase vลกak takรบto energiu v tejto forme nemoลพno vyuลพiลฅ pri aplikรกciรกch vykurovania. Je nevyhnutnรฉ ju รบฤinne zachytiลฅ a nรกsledne vyuลพiลฅ. Na zachytenie slneฤnej energie slรบลพia slneฤnรฉ kolektory, ktorรฉ zachytรกvajรบ tepelnรบ energiu prostrednรญctvom absorbรฉra a odovzdรกvajรบ ju do teplonosnej lรกtky. Keฤลพe intenzita slneฤnej energie je najvรคฤลกia v ฤase, keฤ je potreba tepla relatรญvne nรญzka (letnรฉ obdobie, poludnie), sรบ systรฉmy akumulรกcie tepla optimรกlnym rieลกenรญm na vyuลพitie tepelnej energie v ฤase, keฤy je po nej zvรฝลกenรฝ dopyt (zimnรฉ obdobie, rรกno/veฤer). Akumulรกcia tepelnej energie mรก ลกirokรฉ vyuลพitie v rรดznych teplotnรฝch rozsahoch, a to na รบฤely vykurovania, ohrevu pitnej vody, technolรณgiรญ alebo vรฝroby elektrickej energie.
Obr. 1 Systรฉm centralizovanรฉho zรกsobovania teplom so zdrojom tepla zo slneฤnรฝch kolektorov a s vyuลพitรญm veฤพkokapacitnรฉho podzemnรฉho zรกsobnรญka
V poslednom ฤase sa v sรบvislosti s rozvojom technolรณgiรญ vyuลพitia obnoviteฤพnรฝch zdrojov na vรฝrobu tepla budujรบ v krajinรกch ako Dรกnsko ฤi Nemecko systรฉmy centralizovanรฉho zรกsobovania teplom, ktorรฉ vyuลพรญvajรบ slneฤnรบ energiu. Prรกve pri tรฝchto systรฉmoch je akumulรกcia tepla kฤพรบฤovรฝm komponentom na ich optimรกlnu funkciu. Schรฉma centralizovanรฉho zรกsobovania teplom s vyuลพitรญm slneฤnej energie je znรกzornenรก na obr. 1.
Akumulรกcia slneฤnej energie
Slneฤnรก energia sa v rรกmci termickรฝch aplikรกciรญ vyuลพรญva predovลกetkรฝm na sezรณnny ohrev pitnej vody. Na รบฤely vykurovania je vyuลพiteฤพnosลฅ slneฤnej energie znaฤne limitovanรก, a to z dรดvodu nรญzkej intenzity slneฤnรฉho ลพiarenia v ฤase, keฤ je potreba tepla najvyลกลกia. Na dosiahnutie poลพadovanรฉho tepelnรฉho vรฝkonu vo vykurovacej sezรณne by bola potrebnรก neprijateฤพne veฤพkรก plocha kolektorov z hฤพadiska investiฤnรฝch nรกkladov. Akumulรกcia tepla preto predstavuje vhodnรบ alternatรญvu, ako vyuลพรญvaลฅ tepelnรบ energiu, ktorรก sa ฤพahko zรญska v obdobรญ, keฤ je slneฤnรฉ ลพiarenie najintenzรญvnejลกie, a nรกsledne sa vyuลพije v obdobรญ, keฤ je po teple dopyt. Vo vลกeobecnosti sa tepelnรก energia akumuluje v zรกsobnรญkoch, ktorรฉ sa lรญลกia konลกtrukฤnรฝm rieลกenรญm v zรกvislosti od รบฤelu energetickรฉho systรฉmu (obr. 2).
Obr. 2 Rรดzne typy zรกsobnรญkov v zรกvislosti od ich pouลพitia: 1) akumulaฤnรฝ zรกsobnรญk teplej vody na vykurovanie, 2) zรกsobnรญkovรฝ ohrievaฤ ohriatej pitnej vody s dvomi vรฝmennรญkmi tepla (solรกrny a kotlovรฝ okruh), 3) kombinovanรฝ zรกsobnรญkovรฝ ohrievaฤ na podporu vykurovania a ohrev pitnej vody (Zdroj: Buderus)
Kritรฉriรก na akumulรกciu tepla
Pri nรกvrhu systรฉmu na akumulรกciu tepelnej energie existujรบ tri hlavnรฉ kritรฉriรก, ktorรฉ sa musia zohฤพadniลฅ. Ide o technickรฉ parametre jednotlivรฝch komponentov, nรกvratnosลฅ investรญciรญ a environmentรกlny vplyv. Kฤพรบฤovรฝm faktorom pri nรกvrhu systรฉmu akumulรกcie tepla sรบ optimรกlne technickรฉ vlastnosti.
Pri nรกvrhu akรฉhokoฤพvek akumulaฤnรฉho systรฉmu moลพno potom vo vลกeobecnosti definovaลฅ vlastnosti, ktorรฉ je nevyhnutnรฉ zvรกลพiลฅ:
- vysokรก tepelnรก kapacita (kJ/(kg . K)),
- vysokรก tepelnรก vodivosลฅ (W/(m . K)),
- reverzibilita,
- stabilita,
- chemickรก kompatiblita,
- nรญzka toxicita, horฤพavosลฅ,
- cenovรก dostupnosลฅ.
Najvรฝznamnejลกou vlastnosลฅou je tepelnรก kapacita lรกtky, ktorรก priamo ovplyvลuje mnoลพstvo akumulovanรฉho tepla v lรกtke vo vzลฅahu k objemu. ฤรญm je tepelnรก kapacita vyลกลกia, tรฝm je potrebnรฝ menลกรญ objem lรกtky na akumulรกciu istรฉho mnoลพstva tepla. Vรฝznamnou vlastnosลฅou je aj tepelnรก vodivosลฅ, ktorรก ovplyvลuje prenos tepla na rozhranรญ medzi lรกtkou, ktorรก akumuluje teplo, a teplonosnou lรกtkou, ktorรก teplo distribuuje z akumulaฤnรฉho systรฉmu na miesto odberu. Vyลกลกia tepelnรก vodivosลฅ zabezpeฤรญ lepลกรญ prenos tepla a zvรฝลกenie รบฤinnosti. V neposlednom rade je dรดleลพitรก aj reverzibilita lรกtky, t. j. schopnosลฅ opakovane sa ohrievaลฅ/ochladzovaลฅ bez degradรกcie materiรกยญlu. Tรกto vlastnosลฅ je mimoriadne dรดleลพitรก pri lรกtkach, ktorรฉ menia skupenstvo v procese ohrievania, resp. ochladzovania.
Spรดsoby a technickรฉ rieลกenia akumulรกcie tepla
V rรกmci metรณd akumulรกcie tepelnej energie existujรบ z fyzikรกlneho, resp. chemickรฉho hฤพadiska tri spรดsoby, ako moลพno teplo uskladลovaลฅ na neskorลกie vyuลพitie:
- akumulรกcia citeฤพnรฉho tepla,
- akumulรกcia latentnรฉho tepla,
- akumulรกcia tepla vo forme chemickej reakcie.
Kaลพdรก metรณda disponuje inou tepelnou kapacitou v zรกvislosti od objemu lรกtky, ktorรก teplo akumuluje, priฤom najniลพลกiu kapacitu vykazuje citeฤพnรฉ teplo a najvyลกลกiu kapacitu teplo viazanรฉ vo forme chemickej reakcie. Jednotlivรฉ metรณdy sa lรญลกia aj nรกroฤnosลฅou na prevรกdzku a realizรกciu a kaลพdรก metรณda je zรกroveล vhodnรก pri inรฝch aplikรกciรกch.
Akumulรกcia citeฤพnรฉho tepla
Pri akumulรกcii citeฤพnรฉho tepla sa tepelnรก energia uskladลuje poฤas ohrievania lรกtky, ktorรก mรก vhodnรฉ vlastnosti na tieto รบฤely. Princรญp akumulรกcie citeฤพnรฉho tepla je znรกzornenรฝ na obr. 3. Najฤastejลกie sa na akumulรกciu tepelnej energie vo forme citeฤพnรฉho tepla vyuลพรญva voda, ktorรก ma vysokรบ tepelnรบ kapacitu (4,18 kJ/(kg . K)). Tento spรดsob sa vyuลพรญva predovลกetkรฝm na akumulรกciu ohriatej pitnej vody v obytnรฝch budovรกch.
Fyzikรกlna podstata akumulรกcie citeฤพnรฉho tepla je zaloลพenรก na princรญpe kalorimetrickej rovnice, ktorรบ definuje vzลฅah (1)
kde
- Q je teplo dodanรฉ/odobratรฉ lรกtke (W),
- V โ objem lรกtky (m3),
- ฯ โ hustota lรกtky (kg/m3),
- c โ mernรก tepelnรก kapacita lรกtky (kJ/(kg . K)),
- Tf โ koneฤnรก teplota lรกtky (ยฐC),
- Ti โ poฤiatoฤnรก teplota lรกtky (ยฐC).
Obr. 3 Princรญp akumulรกcie citeฤพnรฉho tepla / Obr. 4 Princรญp akumulรกcie latentnรฉho tepla
K vรฝhodรกm tohto systรฉmu patria najmรค nรญzke investiฤnรฉ nรกklady, netoxicita lรกtky na akumulรกciu tepla a dostupnรฝ sortiment zรกsobnรญkov na akumulรกciu teplej vody. Za negatรญvum moลพno povaลพovaลฅ fakt, ลพe tepelnรก kapacita akumulovanรฉho citeฤพnรฉho tepla je limitovanรก. Na uskladnenie veฤพkรฉho mnoลพstva energie je teoreticky potrebnรฝ veฤพkรฝ objem zรกsobnรญka, ฤo zniลพuje รบฤinnosลฅ z hฤพadiska tepelnรฝch strรกt. Rovnako platรญ, ลพe zvyลกovanรญm teploty lรกtky za รบฤelom uskladnenia vรคฤลกieho mnoลพstva tepla narastรก tepelnรก strata na rozhranรญ materiรกlu s okolitรฝm prostredรญm, ฤรญm sa zniลพuje รบฤinnosลฅ procesu.
Akumulรกcia tepla vo forme latentnรฉho tepla
Latentnรฉ teplo (skupenskรฉ teplo) je tepelnรก energia, ktorรก je uvoฤพnenรก z lรกtky, resp. je do nej dodanรก v procese zmeny skupenstva (kvapalnรฉ/tuhรฉ, kvapalnรฉ/plynnรฉ). Pri tejto forme akumulovanej energie moลพno dosiahnuลฅ vรคฤลกiu tepelnรบ kapacitu pri menลกom objeme a konลกtantnej teplote (obr. 4).
Fyzikรกlnu podstatu akumulรกcie latentnรฉho tepla definuje vzลฅah (2)
kde
- Q je teplo dodanรฉ/odobratรฉ lรกtke (W),
- V โ objem lรกtky (m3),
- ฯ โ hustota lรกtky (kg/m3),
- csp โ priemernรก mernรก tepelnรก kapacita medzi Ti a Tm (kJ/(kg . K)),
- Tm โ teplota topenia (ยฐC),
- Ti โ poฤiatoฤnรก teplota lรกtky (ยฐC),
- Tf โ koneฤnรก teplota lรกtky (ยฐC),
- am โ mnoลพstvo lรกtky, ktorรฉ podlieha skupenskej zmene (kg),
- โhm โ teplo uvoฤพnenรฉ v procese fรบzie (kJ/kg),
- csp โ priemernรก mernรก tepelnรก kapacita medzi Tm a Tf (kJ/(kg .K)).
Tento spรดsob akumulรกcie tepla sa vyuลพรญva predovลกetkรฝm pri aplikรกciรกch dlhodobรฉho uskladnenia tepelnej energie a v procesoch, pri ktorรฝch sa poลพaduje striktnรฉ dodrลพanie teploty. Akumulรกcia tepla prostrednรญctvom latentnรฉho tepla mรก vลกak znaฤnรบ nevรฝhodu v nรญzkej tepelnej vodivosti materiรกlov (0,2 โ 0,7 W/(m . K)). Zvรฝลกenie tepelnej vodivosti, a tรฝm aj zlepลกenie celkovej รบฤinnosti, moลพno dosiahnuลฅ pouลพitรญm lรกtok s vysokou tepelnou vodivosลฅou (uhlรญk, kov), ktorรฉ sรบ integrovanรฉ priamo v lรกtke na akumulรกciu tepla. Tรกto metรณda vyuลพรญva naprรญklad uhlรญkovรฉ vlรกkna (tepelnรก vodivosลฅ 470 W/(m . K)) alebo kovovรฉ peny, ฤรญm sa tepelnรก vodivosลฅ zvyลกuje o 60 aลพ 150 %. Vo vลกeobecnosti sa vyuลพรญvajรบ materiรกly so zmenou skupenstva, ktorรฉ sรบ integrovanรฉ do zรกsobnรญkov tepla na zlepลกenie celkovej รบฤinnosti. Metรณda akumulรกcie tepla formou latentnรฉho tepla je zatiaฤพ predmetom vรฝskumu za รบฤelom zdokonaliลฅ technolรณgiu na praktickรฉ vyuลพitie.
Akumulรกcia tepla vo forme chemickej reakcie
Urฤitรฉ chemickรฉ lรกtky dokรกลพu absorbovaลฅ/uvoฤพniลฅ veฤพkรฉ mnoลพstvo tepelnej energie poฤas chemickej reakcie, keฤ vznikajรบ, resp. zanikajรบ chemickรฉ vรคzby. V chรฉmii sa tieto reakcie nazรฝvajรบ exotermickรฉ (uvoฤพnenie tepla), resp. endotermickรฉ (spotreba tepla). Na zรกklade tejto charakteristiky funguje akumulรกcia tepelnej energie vyuลพรญvajรบca chemickรฉ reakcie (obr. 5). Na akumulรกciu tepla vo forme chemickej reakcie je nevyhnutnรฉ vyuลพรญvaลฅ lรกtky, ktorรฉ majรบ dokonalรบ chemickรบ reverzibilitu, t. j. schopnosลฅ vrรกtiลฅ sa do pรดvodnรฉho stavu, dostatoฤnรฉ reakฤnรฉ teplo a zรกroveล jednoduchรบ chemickรบ reakciu. Najvรคฤลกou vรฝhodou tejto metรณdy je schopnosลฅ akumulovaลฅ veฤพkรฉ mnoลพstvo tepelnej energie v relatรญvne malom objeme lรกtky. ฤalลกรญm vรฝznamnรฝm benefitom je takmer nulovรก tepelnรก strata vo fรกze, keฤ je tepelnรก energia viazanรก v chemickej vรคzbe, mรดลพe sa teda akumulovaลฅ dlhodobo. Akumulรกcia tepla vo forme chemickej reakcie sa dosiaฤพ ลกiroko nevyuลพรญva vzhฤพadom na komplikovanรฝ proces chemickej reakcie a dlhodobรบ stabilitu chemickรฝch lรกtok.
Obr. 5 Princรญp akumulรกcie tepla formou chemickej reakcie: A โ nabรญjanie, B โ akumulรกcia, C โ vybรญjanie
Materiรกly na akumulรกciu tepla
Pri kaลพdom spรดsobe akumulรกcie tepla je vhodnรฉ pouลพiลฅ inรฉ materiรกly z hฤพadiska ich fyzikรกlnych a chemickรฝch vlastnostรญ.Na akumulรกciu citeฤพnรฉho tepla sa vyuลพรญvajรบ predovลกetkรฝm voda, oleje (schopnosลฅ akumulovaลฅ vyลกลกie teploty) a tuhรฉ lรกtky (kamenivo, betรณn). Vรฝhodou vyuลพitia tuhรฝch lรกtok je eliminรกcia rizika รบniku kvapalnej lรกtky a cenovรก dostupnosลฅ, na druhej strane je ich tepelnรก kapacita v porovnanรญ s kvapalinami vรฝrazne niลพลกia. Charakteristika najฤastejลกie pouลพรญvanรฝch lรกtok na akumulรกciu citeฤพnรฉho tepla je uvedenรก v tab. 1.
Akumulรกcia latentnรฉho tepla vyuลพรญva predovลกetkรฝm organickรฉ (parafรญny, mastnรฉ kyseliny) a anorganickรฉ lรกtky (anorganickรฉ soli). Teplota topenia parafรญnov je v rozmedzรญ 12 โ 71 ยฐC, anorganickรฝch solรญ v rozmedzรญ 30 โ 120 ยฐC. Nevรฝhodou organickรฝch lรกtok je ich horฤพavosลฅ a nรญzka tepelnรก vodivosลฅ, ฤo limituje ich vyuลพitie [4]. Charakteristika najฤastejลกie pouลพรญvanรฝch lรกtok na akumulรกciu latentnรฉho tepla je uvedenรก v tab. 2. Na akumulรกciu tepelnej energie viazanej v chemickej reakcii moลพno vyuลพiลฅ mnohรฉ organickรฉ a anorganickรฉ lรกtky, ktorรฉ spฤบลajรบ predovลกetkรฝm dokonalรบ reverzibilitu chemickej reakcie [4]. Charakteristika najฤastejลกie pouลพรญvanรฝch lรกtok na akumulรกciu tepla formou chemickej reakcie je uvedenรก v tab. 3.
Zรกver
V sรบฤasnosti existujรบ mnohรฉ systรฉmy, ktorรฉ vyuลพรญvajรบ akumulovanรบ slneฤnรบ energiu. Jej vyuลพitie nachรกdza uplatnenie v aplikรกciรกch vykurovania (ohrev teplej vody, sรกlavรฉ vykurovanie), ale aj na technologickรฉ รบฤely a vรฝrobu elektrickej energie. V praxi je najviac rozลกรญrenรฝ ohrev pitnej vody a akumulรกcia energie vo forme citeฤพnรฉho tepla v zรกsobnรญkoch teplej vody. Na potreby vykurovania a sezรณnnej akumulรกcie sรบ vลกak systรฉmy stรกle limitovanรฉ z hฤพadiska รบฤinnosti a finanฤnej nรกvratnosti. Anorganickรฉ soli, ktorรฉ sรบ schopnรฉ akumulovaลฅ tepelnรบ energiu, sa javia ako vรฝhodnรฉ rieลกenie, ich pouลพitie je vลกak obmedzenรฉ pre nรญzku tepelnรบ vodivosลฅ. Na optimalizรกciu tejto metรณdy je nevyhnutnรฉ pouลพiลฅ opatrenia zvyลกujรบce tepelnรบ vodivosลฅ, a tรฝm celkovรบ รบฤinnosลฅ systรฉmu akumulรกcie tepla. V sรบฤasnosti sa akumulรกcia tepla vo forme skupenskรฉho tepla rieลกi najmรค experimentรกlne, uvedenie do praxe si bude vyลพadovaลฅ ฤalลกรญ vรฝskum. Rovnako aj metรณda akumulรกcie tepla formou chemickej reakcie je v sรบฤasnosti predmetom experimentov a zatiaฤพ sa javรญ ako veฤพmi vรฝhodnรฝ proces z hฤพadiska efektรญvneho uskladnenia veฤพkรฉho mnoลพstva tepla v malom objeme pri minimรกlnej tepelnej strate.
Ing. Martin Gaลกparรญk
Autor pรดsobรญ na Katedre TZB SvF STU v Bratislave.
Recenzovala: doc. Ing. Otรญlia Lulkoviฤovรก, PhD.
Obrรกzky: archรญv autora
Ilustraฤnรฉ foto: Vailant
Literatรบra
- Cabeza, L. F.: Advances in Thermal Energy Storage Systems โ Methods and Applications, Elsevier, 2015.
- Sorensen, B.: Solar Energy Storage, Elsevier, 2015.
- Smil, V.: General energetics: energy in the biosphere and civilization. 1st edition New York: John Wiley & Sons: 1991.
- Tian, Y. โ Zhao, C. Y.: A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications, Applied Energy 104, 2013.
- De Gracia, A. โ Cabeza, L. F.: Phase change materials and thermal energy storage for building, Energy Buildings, 2015.
- Zhou, Z. โ Zhang, Z. โ Zuo, J. โ Huang, K. โ Zhang, L.: Phase change materials for solar thermal energy storage in residential buildings in cold climate, Renewable and Sustainable Energy Reviews 48, 2015.
ฤlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB HAUSTECHNIK.