Eutektyczne stopy metali podnoszą zdolność sezonowego magazynowania energii cieplnej
Od ponad dwóch dziesięcioleci UE jest liderem w zakresie globalnego wykorzystywania energii odnawialnej. Przyjęcie długoterminowych celów i wsparcie środków politycznych spowodowało silny wzrost, z 9 % udziału w końcowym zużyciu energii brutto w 2005 roku do około 20 % prognozowanych do roku 2020. Jednakże wdrażanie energii odnawialnej musi być połączone z pewną formą magazynowania energii, aby przygotować się na wahania podczas jej produkcji. Magazynowanie energii cieplnej może równoważyć zapotrzebowanie na energię, które jest różne za dnia i w nocy. Może też przechować letnie ciepło na potrzeby ogrzewania w zimie lub zmagazynować zimowy chłód na potrzeby klimatyzacji w lecie. Na pierwszy rzut oka koncepcja magazynowania energii cieplnej wydaje się prosta, jednak dalsze badania odsłaniają bardziej złożony obraz. Problemy z komercyjnymi materiałami zmiennofazowymi (PCM) „Techniki magazynowania energii termalnej wykorzystujące ciepło utajone są od niedawna przedmiotem coraz większego zainteresowania, ponieważ ich poziom gotowości jest bliski komercyjnego wykorzystania w systemach bazujących na energii słonecznej”, zauważa prof. Khamid Mahkamov, który odpowiada za finansowany przez UE projekt THERMOSTALL, inicjatywę realizowaną w ramach grantu indywidualnego stypendium Maria Skłodowska-Curie. Zanim możliwe będzie wykorzystanie PCM należy znaleźć rozwiązanie dla kilku trudnych problemów. Takie materiały gromadzą lub oddają ogromne ilości energii w trakcie przemianyfazowej, odpowiednio poprzez absorpcję i uwalnianie energii cieplnej w trakcie topnienia i zamarzania. Pożadane cechy takich materiałów obejmują między innymi wysokie ciepło utajone topienia się, wysoką przewodność termiczną, wysoką gęstość właściwą i ciepło właściwe oraz trwałość przy powtarzających się cyklach. „Organiczne i uwodnione sole są jednymi z najlepiej znanych PCM wykorzystywanych w systemach energii słonecznej, jednak ich niski współczynnik przewodności cieplnej, niska gęstość, a w zależności od przypadku, także niestabilność chemiczna i tendencja do przechładzania, stanowią przeszkody dla powszechnego wykorzystywania ich w systemach pozyskiwania energii słonecznej”, wyjaśnia prof. Mahkamov. Ze względu na gorsze właściwości termofizyczne tych PCM oparte na nich systemy magazynowania energii charakteryzują się dużymi wymiarami oraz niską wydajnością gromadzenia i oddawania zgromadzonej energii. Stopy eutektyczne i ich wpływ na magazynowanie energii cieplnej W ramach projektu THERMOSTALL znaleziono możliwe rozwiązanie dla tych problemów – eutektyczne stopy metali. Innymi słowy, naukowcy wykorzystali mieszaninę stopów o niskiej czystości, składającą się z metali niskotopliwych. Nowe formuły PCM miały zostać wykorzystane w sezonowych systemach magazynowania energii cieplnej wykorzystywanych w budynkach mieszkalnych i małych budynkach biurowych. „Korzystne właściwości niskotopliwych stopów metali sprawiają, że doskonale nadają się one do wykorzystania w różnych obszarach, zwłaszcza w dziedzinie elektroniki, jednak po raz pierwszy zostały wykorzystanie na potrzeby gromadzenia energii cieplnej”, zauważa prof. Mahkamov. Materiały eutektyczne mają kilka atrakcyjnych cech: są stabilne, ich przewodność cieplna jest dwa razy wyższa niż w przypadku konwencjonalnych PCM, a ich zdolność magazynowania energii termicznej jest trzykrotnie większa. Komercyjne stopy eutektyczne wyróżniają się zazwyczaj wysoką czystością, dlatego są stosunkowo drogie. Aby zminimalizować koszty, naukowcy skupili się na stopach o niskiej czystości, których próbki zostały przygotowane w laboratorium. Badacze eksperymentowali z wieloma różnymi metalami o temperaturach topnienia wynoszących od 70 do 230 stopni Celsjusza, aby wskazać mieszaniny o najbardziej odpowiednich właściwościach termofizycznych. Wykorzystując skaningową kalorymetrię różnicową, zespół określił wartość ciepła utajonego i właściwego przygotowanych stopów. „Ogólnie rzecz biorąc, stopy eutektyczne mogą znacznie zmniejszyć złożoność i koszty produkcji systemów magazynowania energii cieplnej”, dodaje prof. Mahkamov. Prace nad projektem doprowadziły do opracowania przedkomercyjnego prototypu na potrzeby sezonowego magazynowania energii cieplnej dla budynków mieszkalnych i małych budynków biurowych.
Słowa kluczowe
THERMOSTALL, materiał zmiennofazowy (PCM), stopy eutektyczne, sezonowe przechowywanie energii cieplnej, ciepło utajone, niskotopliwe, prototyp