image 83791 25 v2
Galรฉria(10)

Akumulรกcia tepelnej energie v solรกrnych systรฉmoch

Partneri sekcie:

V rรกmci metรณd akumulรกcie tepelnej energie existujรบ tri spรดsoby, ako moลพno teplo uskladลˆovaลฅ na neskorลกie vyuลพitie. ฤŒlรกnok sa zaoberรก metรณdami akumulรกcie tepelnej energie zo slneฤnรฉho ลพiarenia, ktorรฉ prispievajรบ k efektรญvnemu a ekologickรฉmu vyuลพitiu slneฤnej energie v procese vรฝroby tepla.

1
2
34
t1
t2
t3
5
v2

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, vรคฤลกina tepelnej energie sa  stรกle produkuje prรกve z procesu spaฤพovania fosรญlnych palรญv, ฤo mรก negatรญvny vplyv na ลพivotnรฉ prostredie. V sรบฤasnosti existujรบ viacerรฉ metรณdy, ako vyuลพiลฅ obnoviteฤพnรฉ zdroje energie na vรฝrobu tepelnej a elektrickej energie. Najvรคฤลกรญ energetickรฝ potenciรกl spomedzi vลกetkรฝch obnoviteฤพnรฝch zdrojov energie mรก pritom bezpodmieneฤne slneฤnรก energia.

Slneฤnรก energia

Slnko ako zdroj tepla predstavuje vรฝhodnรบ alternatรญvu k fosรญlnym palivรกm, keฤลพe jeho energia je nevyฤerpateฤพnรก a pri vyลพarovanรญ tepla do atmosfรฉry sa neprodukujรบ ลพiadne emisie. Slneฤnรฉ 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 slneฤnรฉho ลพiarenia.

Z hฤพadiska nรญzkej intenzity a nerovnomernosti slneฤnรฉho ลพiarenia v ฤase vลกak takรบto energiu v tejto forme nemoลพno vyuลพiลฅ pri aplikรกciรกch vykurovania. Je nevyhnutnรฉ ju รบฤinne zachytiลฅ a nรกsledne vyuลพiลฅ. Na zachytenie slneฤnej energie slรบลพia slneฤnรฉ kolektory, ktorรฉ zachytรกvajรบ tepelnรบ energiu prostrednรญctvom absorbรฉra a odovzdรกvajรบ ju do teplonosnej lรกtky. Keฤลพe intenzita slneฤnej energie je najvรคฤลกia v ฤase, keฤ je potreba tepla relatรญvne nรญzka (letnรฉ obdobie, poludnie), sรบ systรฉmy akumulรกcie tepla optimรกlnym rieลกenรญm na vyuลพitie tepelnej energie v ฤase, keฤy je po nej zvรฝลกenรฝ dopyt (zimnรฉ obdobie, rรกno/veฤer). Akumulรกcia tepelnej energie mรก ลกirokรฉ vyuลพitie v rรดznych teplotnรฝch rozsahoch, a to na รบฤely vykurovania, ohrevu pitnej vody, technolรณgiรญ alebo vรฝroby elektrickej energie.

Obr. 1 Systém centralizovaného zásobovania teplom so zdrojom tepla zo slneฤných kolektorov a s vyuลพitím veฤพkokapacitného podzemného zásobníka

Obr. 1 Systรฉm centralizovanรฉho zรกsobovania teplom so zdrojom tepla zo slneฤnรฝch kolektorov a s vyuลพitรญm veฤพkokapacitnรฉho podzemnรฉho zรกsobnรญka

V poslednom ฤase sa v sรบvislosti s rozvojom technolรณgiรญ vyuลพitia obnoviteฤพnรฝch zdrojov na vรฝrobu tepla budujรบ v krajinรกch ako Dรกnsko ฤi Nemecko systรฉmy centralizovanรฉho zรกsobovania teplom, ktorรฉ vyuลพรญvajรบ slneฤnรบ energiu. Prรกve pri tรฝchto systรฉmoch je akumulรกcia tepla kฤพรบฤovรฝm komponentom na ich optimรกlnu funkciu. Schรฉma centralizovanรฉho zรกsobovania teplom s vyuลพitรญm slneฤnej energie je znรกzornenรก na obr.  1.

Akumulรกcia slneฤnej energie

Slneฤnรก energia sa v rรกmci termickรฝch aplikรกciรญ vyuลพรญva predovลกetkรฝm na sezรณnny ohrev pitnej vody. Na รบฤely vykurovania je vyuลพiteฤพnosลฅ slneฤnej energie znaฤne limitovanรก, a to z dรดvodu nรญzkej intenzity slneฤnรฉho ลพiarenia v ฤase, keฤ je potreba tepla najvyลกลกia. Na dosiahnutie poลพadovanรฉho tepelnรฉho vรฝkonu vo vykurovacej sezรณne by bola potrebnรก neprijateฤพne veฤพkรก plocha kolektorov z hฤพadiska investiฤnรฝch nรกkladov. Akumulรกcia tepla preto predstavuje vhodnรบ alternatรญvu, ako vyuลพรญvaลฅ tepelnรบ energiu, ktorรก sa ฤพahko zรญska v obdobรญ, keฤ je slneฤnรฉ ลพiarenie najintenzรญvnejลกie, a nรกsledne sa vyuลพije v obdobรญ, keฤ je po teple dopyt. Vo vลกeobecnosti sa tepelnรก energia akumuluje v zรกsobnรญkoch, ktorรฉ sa lรญลกia konลกtrukฤnรฝm rieลกenรญm v zรกvislosti od รบฤelu energetickรฉho systรฉmu (obr. 2).

Obr. 2 Rôzne typy zásobníkov v závislosti od ich pouลพitia 1) akumulaฤný zásobník teplej vody na vykurovanie, 2) zásobníkový ohrievaฤ ohriatej pitnej vody s dvomi výmenníkmi tepla (solárny a kotlový okruh), 3) kombinovaný zásobníkový ohrievaฤ na podporu vykurovania a ohrev pitnej vody (Zdroj: Buderus)

Obr. 2 Rรดzne typy zรกsobnรญkov v zรกvislosti od ich pouลพitia: 1) akumulaฤnรฝ 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. Kฤพรบฤovรฝm faktorom pri nรกvrhu systรฉmu akumulรกcie tepla sรบ optimรกlne technickรฉ vlastnosti. 

Pri nรกvrhu akรฉhokoฤพvek akumulaฤnรฉho 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 ovplyvลˆuje mnoลพstvo akumulovanรฉho tepla v lรกtke vo vzลฅahu k objemu. ฤŒรญm je tepelnรก kapacita vyลกลกia, tรฝm je potrebnรฝ menลกรญ objem lรกtky na akumulรกciu istรฉho mnoลพstva tepla. Vรฝznamnou vlastnosลฅou je aj tepelnรก vodivosลฅ, ktorรก ovplyvลˆuje prenos tepla na rozhranรญ medzi lรกtkou, ktorรก akumuluje teplo, a teplonosnou lรกtkou, ktorรก teplo distribuuje z akumulaฤnรฉho systรฉmu na miesto odberu. Vyลกลกia tepelnรก vodivosลฅ zabezpeฤรญ lepลกรญ prenos tepla a zvรฝลกenie รบฤinnosti. 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 uskladลˆovaลฅ na neskorลกie vyuลพitie:

  1. akumulรกcia citeฤพnรฉho tepla,
  2. akumulรกcia latentnรฉho tepla,
  3. akumulรกcia tepla vo forme chemickej reakcie.

Kaลพdรก metรณda disponuje inou tepelnou kapacitou v zรกvislosti od objemu lรกtky, ktorรก teplo akumuluje, priฤom najniลพลกiu kapacitu vykazuje citeฤพnรฉ teplo a najvyลกลกiu kapacitu teplo viazanรฉ vo forme chemickej reakcie. Jednotlivรฉ metรณdy sa lรญลกia aj nรกroฤnosลฅou na prevรกdzku a realizรกciu a kaลพdรก metรณda je zรกroveลˆ vhodnรก pri inรฝch aplikรกciรกch.

Akumulรกcia citeฤพnรฉho tepla

Pri akumulรกcii citeฤพnรฉho tepla sa tepelnรก energia uskladลˆuje poฤas ohrievania lรกtky, ktorรก mรก vhodnรฉ vlastnosti na tieto รบฤely. Princรญp akumulรกcie citeฤพnรฉho tepla je znรกzornenรฝ na obr. 3. Najฤastejลกie 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€“ koneฤnรก teplota lรกtky (ยฐC),
  • Ti โ€“ poฤiatoฤnรก teplota lรกtky (ยฐC).

Obr. 3 Princíp akumulácie citeฤพného tepla / Obr. 4 Princíp akumulácie latentného tepla

Obr. 3 Princรญp akumulรกcie citeฤพnรฉho tepla / Obr. 4 Princรญp akumulรกcie latentnรฉho tepla

K vรฝhodรกm tohto systรฉmu patria najmรค nรญzke investiฤnรฉ 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, ฤo zniลพuje รบฤinnosลฅ z hฤพadiska tepelnรฝch strรกt. Rovnako platรญ, ลพe zvyลกovanรญm teploty lรกtky za รบฤelom uskladnenia vรคฤลกieho mnoลพstva tepla narastรก tepelnรก strata na rozhranรญ materiรกlu s okolitรฝm prostredรญm, ฤรญm sa zniลพuje รบฤinnosลฅ 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 vรคฤลกiu 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€“ poฤiatoฤnรก teplota lรกtky (ยฐC),
  • Tf โ€“ koneฤnรก teplota lรกtky (ยฐC),
  • am โ€“ mnoลพstvo lรกtky, ktorรฉ podlieha skupenskej zmene (kg),
  • โˆ†hm 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 znaฤnรบ nevรฝhodu v nรญzkej tepelnej vodivosti materiรกlov (0,2 โ€“ 0,7 W/(m . K)). Zvรฝลกenie tepelnej vodivosti, a tรฝm aj zlepลกenie celkovej รบฤinnosti, 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, ฤรญm 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 รบฤinnosti. Metรณda akumulรกcie tepla formou latentnรฉho tepla je zatiaฤพ predmetom vรฝskumu za รบฤelom zdokonaliลฅ technolรณgiu na praktickรฉ vyuลพitie.

Akumulรกcia tepla vo forme chemickej reakcie

Urฤitรฉ chemickรฉ lรกtky dokรกลพu absorbovaลฅ/uvoฤพniลฅ veฤพkรฉ mnoลพstvo tepelnej energie poฤas 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, dostatoฤnรฉ reakฤnรฉ teplo a zรกroveลˆ jednoduchรบ chemickรบ reakciu. Najvรคฤลกou vรฝhodou tejto metรณdy je schopnosลฅ akumulovaลฅ veฤพkรฉ mnoลพstvo tepelnej energie v relatรญvne malom objeme lรกtky. ฤŽalลกรญm 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 Princíp akumulácie tepla formou chemickej reakcie  A – nabíjanie, B – akumulácia, C – vybíjanie

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 najฤastejลกie 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, ฤo limituje ich vyuลพitie [4]. Charakteristika najฤastejลกie 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 spฤบลˆajรบ predovลกetkรฝm dokonalรบ reverzibilitu chemickej reakcie [4]. Charakteristika najฤastejลกie pouลพรญvanรฝch lรกtok na akumulรกciu tepla formou chemickej reakcie  je uvedenรก v tab. 3.

Zรกver

V sรบฤasnosti existujรบ mnohรฉ systรฉmy, ktorรฉ vyuลพรญvajรบ akumulovanรบ slneฤnรบ energiu. Jej vyuลพitie nachรกdza uplatnenie v aplikรกciรกch vykurovania (ohrev teplej vody, sรกlavรฉ vykurovanie), ale aj na technologickรฉ รบฤely 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 รบฤinnosti a finanฤnej 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 รบฤinnosลฅ systรฉmu akumulรกcie tepla. V sรบฤasnosti sa akumulรกcia tepla vo forme skupenskรฉho tepla rieลกi najmรค  experimentรกlne, uvedenie do praxe si bude vyลพadovaลฅ ฤalลกรญ vรฝskum. Rovnako aj metรณda akumulรกcie tepla formou chemickej reakcie je v sรบฤasnosti 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 Lulkoviฤovรก, PhD.

Obrรกzky: archรญv autora

Ilustraฤnรฉ foto: Vailant

Literatรบra

  1. Cabeza, L. F.: Advances in Thermal Energy Storage Systems โ€“ Methods and Applications, Elsevier, 2015.
  2. Sorensen, B.: Solar Energy Storage, Elsevier, 2015.
  3. Smil, V.: General energetics: energy in the biosphere and civilization. 1st edition New York: John Wiley & Sons: 1991.
  4. Tian, Y. โ€“ Zhao, C. Y.: A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications, Applied Energy 104, 2013.
  5. De Gracia, A. โ€“ Cabeza, L. F.: Phase change materials and thermal energy storage for building, Energy Buildings, 2015.
  6. 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.

ฤŒlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB HAUSTECHNIK.

Najฤรญtanejลกie