Na drodze do szerszego wykorzystania energii odnawialnej, magazynowanie energii cieplnej staje się podstawowym rozwiązaniem umożliwiającym sieciom energetycznym reagowanie na zmienne warunki podaży i popytu. Stwarza możliwość korzystania z energii odnawialnej wtedy, gdy nie jest ona bezpośrednio dostępna – gdy nie świeci słońce i nie wieje wiatr. Inżynierowie z Uniwersytetu Lehigh w USA zaprojektowali, zbudowali i przetestowali innowacyjny, prototypowy system magazynowania energii cieplnej.
Systemy magazynowania energii cieplnej są jak baterie, które wykorzystują zmiany temperatury do magazynowania energii do późniejszego wykorzystania lub do wykorzystania w innym miejscu. Takie systemy pobierają energię na różne sposoby, a najczęściej stosowane techniki opierają się na utajonym i jawnym przekazie ciepła. Metoda ciepła utajonego polega na wykorzystaniu ilości energii cieplnej potrzebnej do przemiany fazowej, czyli zmiany stanu skupienia, np. ze stałego na ciekły lub z ciekłego na gazowy, bez zmiany temperatury materiału. Ciepło jawne to energia cieplna potrzebna do podniesienia temperatury materiału bez powodowania jakichkolwiek przemian fazowych.
Jedną z zalet techniki wymiany ciepła utajonego jest to, że umożliwia ona magazynowanie i przenoszenie dużych ilości ciepła. Innymi słowy, utajone systemy magazynowania ciepła są związane z dużymi gęstościami energii. Główną zaletą techniki wymiany ciepła jawnego jest jej niski koszt, jednak aby możliwa była szybka wymiana ciepła, należy oprzeć się na dużych zmianach temperatury.
Inżynierowie z Uniwersytetu Lehigh przy wsparciu Departamentu Energii USA opracowali nowy system energii cieplnej – Lehigh Thermal Battery, który łączy w sobie najlepsze cechy obu technik. System składa się z termosyfonów połączonych z opracowanymi materiałami cementowymi, które umożliwiają szybkie działanie i osiągnięcie wysokiej sprawności termicznej przy niskich kosztach. Wykorzystuje technologię, która może działać z ciepłem lub elektrycznością jako energią wejściową do ładowania. Zespół ogłosił, że po trzech latach badań i rozwoju technologia jest skalowalna i gotowa do wprowadzenia na rynek.
– Technologia Lehigh Thermal Battery jest innowacyjna, ponieważ bateria jest modułowa, zaprojektowana z myślą o niezależnych strumieniach wejściowych/wyjściowych energii podczas ładowania/rozładowywania, co jest możliwe dzięki termosyfonom. Dwufazowy proces zmiany wewnątrz rur termosyfonowych umożliwia szybkie nagrzewanie izotermiczne, transfer do/z nośników magazynujących przy bardzo wysokich współczynnikach przenikania ciepła i szybkościach ogrzewania – mówi główny badacz Sudhakar Neti, emerytowany profesor na Wydziale Mechaniki i Inżynierii Mechanicznej w Lehigh.
Prototyp o mocy 150 kWh zbudowany w Energy Research Center to w pełni oprzyrządowana konstrukcja zawierająca 22 żebrowane termosyfony. Prototyp o mocy 150 kWh został poddany szeroko zakrojonym testom przy użyciu sprężonego powietrza o temperaturze 480 °C, uzyskując sprawność ładowania/rozładowania nośników stałych na poziomie powyżej 95%, równomierny rozkład temperatury w nośnikach stałych podczas ładowania oraz stałą, cykliczną powtarzalność. Średnie moce osiągane podczas ładowania i rozładowywania wyniosły odpowiednio 16,4 i 19,8 kWth (kilowat termiczny), przy bardzo szybkim gradiencie energii akumulatora termicznego wynoszącym 0,51 kWhth/min podczas pierwszej godziny rozładowania.
Po trzech latach prac nad projektem, który obejmował badania i rozwój komponentów systemu, projektowanie i integrację systemu oraz zintegrowane testy systemu przy 3, 10 i 150 kWhth (kilowatogodzin termicznych) w odpowiednim środowisku, bateria termiczna gotowa jest do wprowadzania na rynek. System o mocy 3 kWh th, składający się z konstrukcji naładowanej elektrycznie, został przetestowany w elektrowni Dominion Energy Mount Storm, WV Power Plant, uzyskując powtarzalną wydajność konwersji energii elektrycznej na ciepło.
Projekt baterii cieplnej Lehigh fizycznie oddziela przepływy energii do i z systemu. Ładowanie odbywa się poprzez umożliwienie płynowi przenoszącemu ciepło lub energię elektryczną w dolnej komorze aktywowania sekcji napełniania parownika termosyfonów. Dwufazowy płyn wewnątrz termosyfonów pozwala na szybką, równomierną i izotermiczną dystrybucję ciepła do cementowych nośników magazynujących. Stałe nośniki do magazynowania energii zostały zaprojektowane do pracy w ciężkich cyklach dzięki zastosowaniu specjalnej formuły betonu, która maksymalizuje pojemność cieplną i przewodność cieplną nośnika, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej.
Ponadto konstrukcja termosyfonu została zoptymalizowana pod kątem pracy podwójnej (przesuwane sekcje parownika/skraplacza), umożliwiając temu samemu elementowi urządzenia wykorzystanie do ładowania i rozładowywania baterii termicznej Lehigh. Koncepcję tę można zaprojektować tak, aby odpowiadała poborowi energii i zakresowi operacyjnemu jawnych nośników ciepła. Po stronie wylotowej cyklu jawny nośnik ciepła działa jak parownik, odprowadzając i dostarczając energię przez termosyfony.
Prace zespołu mogą przyspieszyć dekarbonizację energochłonnego przemysłu, który obecnie odpowiada za około 30% wszystkich emisji gazów cieplarnianych w USA. Dwie trzecie emisji gazów cieplarnianych powstaje w wyniku spalania paliw kopalnych, wycieków oraz jako produkty uboczne przy produkcji cementu i betonu; wytwarza je przemysł hutniczy, chemiczny, papierniczy i spożywczy – informują liderzy projektu. Niestety, jakość produktów, długa żywotność obiektów, ekonomia i ograniczenia geograficzne wymagają procesów wysokotemperaturowych, które utrudniają rozwiązanie kryzysu klimatycznego.
Kolejną szansą na to, aby bateria termiczna Lehigh odegrała ważną rolę w wysiłkach na rzecz dekarbonizacji, jest integracja magazynowania energii cieplnej w systemie obejmującym pompy ciepła i organiczne cykle Rankine’a*, pracujące z nadwyżkami odnawialnej energii elektrycznej.
*Organiczny cykl Rankine’a (ORC) jest procesem produkcji energii przy użyciu czynnika chłodniczego zamiast wody/pary wodnej. Czynnik w tym cyklu ma o wiele niższą temperaturę niż standardowo używany czynnik woda/para wodna – około 120–180 °C.
Oprac. M. Grabania
Źródło: Lehigh University
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
