Sól i woda sposobem na zwiększenie gęstości magazynowanej energii cieplnej
Słońce jest niemal niewyczerpanym odnawialnym źródłem energii, z którego możemy czerpać wszyscy – dostęp do niego nie jest ograniczony w jakikolwiek sposób. Obecnie komercyjne aktywne systemy słoneczne instalowane w budynkach mieszkalnych, które zapewniają ogrzewanie, chłodzenie i ciepłą wodę użytkową, są wyposażone w zasobnik ciepła magazynujący energię przez krótki czas. Taki zbiornik pozwala na magazynowanie energii cieplnej zaledwie przez kilka godzin, nieznacznie wydłużając czas pracy na wypadek zachmurzenia lub w godzinach nocnych. Technologia ta nie spełnia jednak oczekiwań na obszarach charakteryzujących się niskim nasłonecznieniem przez cały rok, na przykład w niektórych krajach Europy Środkowej i Północnej, a także w miejscach, w których występują coraz częstsze opady pomimo danych historycznych wskazujących na wysoki poziom nasłonecznienia. W celu wykorzystania w pełni potencjału energii słonecznej, do użytku należy wprowadzić sezonowe magazyny ciepła, czyli tak zwane systemy STES (ang. seasonal thermal energy storage). W ramach finansowanego przez UE projektu SWS-HEATING zespół opracował innowacyjny, przystępny cenowo system STES, który pozwala na magazynowanie energii cieplnej przez wiele miesięcy. Takie rozwiązanie przyczyni się do zwiększenia skali wykorzystania aktywnych przydomowych systemów słonecznych w budynkach mieszkalnych na całym świecie, niezależnie od warunków pogodowych czy klimatycznych.
Selektywne sorbenty wody do systemów STES
Jak wyjaśnia Sotirios Karellas, koordynator projektu z ramienia Laboratorium Kotłów Parowych i Instalacji Termicznych przy Politechnice Narodowej w Atenach, „jedna z prostszych koncepcji STES, którą obecnie rozwijamy, opiera się na podziemnych zbiornikach wody o dużej pojemności, ale wysokie koszty produkcji i duże wymagania przestrzenne ograniczają możliwości zastosowania takich rozwiązań, szczególnie biorąc pod uwagę zapotrzebowanie na energię w gospodarstwach domowych. Elektrochemiczne metody sezonowego magazynowania energii oraz rozwiązania wykorzystujące ciepło utajone są jeszcze w powijakach, do tego wciąż na rozwiązanie czeka wiele problemów związanych z ich stabilnością i kosztami”. W związku z tym projekt SWS-HEATING koncentruje się na selektywnych sorbentach wody (ang. selective water sorbents, SWS) wykorzystujących sól nieorganiczną zaimpregnowaną w porowatej matrycy w celu wychwytywania (adsorpcji) cząsteczek wody. Dostosowanie właściwości rozwiązania do potrzeb poszczególnych rozwiązań jest możliwe dzięki zastosowaniu zróżnicowanych matryc i soli. Co więcej, w porównaniu z innymi sorbentami, SWS mają szereg zalet, wśród których można wymienić między innymi ograniczone do minimum straty ciepła, dzięki czemu są idealnymi rozwiązaniami do długoterminowego (sezonowego) magazynowania energii cieplnej. Dodatkowe zalety tych sorbentów obejmują wysoką gęstość magazynowania ciepła oraz niskie koszty produkcji.
Nowy sorbent i jednopłytowy wymiennik ciepła
„Zespół projektu SWS-HEATING opracował nowy materiał SWS, którego gęstość magazynowania uzyskana w testach laboratoryjnych jest o ponad 20 % wyższa niż w przypadku dotychczasowych materiałów tego rodzaju. Co więcej, po przeprowadzeniu 1000 cykli testów starzeniowych nowy sorbent nie uległ degradacji ani nie stracił zdolności adsorpcyjnych, pomimo warunków pracy dużo trudniejszych niż rzeczywiste”, zauważa Karellas. Jednopłytowy wymiennik ciepła wykorzystujący nowatorski sorbent SWS zaprojektowany przez zespół projektu SWS-HEATING może być używany jako adsorber/desorber oraz parownik/skraplacz. Nowa technologia pozwoli na znaczące obniżenie kosztów, ponieważ umożliwi wytwarzanie tylko jednego typu wymiennika ciepła, montowanego na różne sposoby w zależności od danego zastosowania. Co więcej, „wymiennik ciepła z adsorberem/desorberem SWS charakteryzuje się blisko trzykrotnie większą objętością adsorbentu w stosunku do objętości płynu przenoszącego ciepło (2,73 w porównaniu z 1,1–1,4, czyli wartościami typowymi dla komercyjnych wymienników ciepła). W praktyce oznacza to dużo większą ilość adsorbentu do wychwytywania cząsteczek wody, co zwiększa gęstość i wydajność magazynowania”, dodaje Karellas.
Energia słoneczna dostępna przez cały rok w każdym zakątku świata
„Warto zwrócić uwagę na fakt, że owocna współpraca między członkami konsorcjum i urzędnikami Komisji Europejskiej odpowiedzialnych za projekty pozwoliła nam skutecznie stawić czoła wyzwaniom związanym z dostępnością materiałów, dostawcami oraz kosztami, a także kwarantannami w związku z pandemią COVID-19”, podkreśla Karellas. Pomimo przeciwności losu zespół z powodzeniem zaprojektował i wyprodukował kompleksowy prototyp systemu SWS-HEATING obejmujący sorbent wody, wymiennik ciepła i inteligentny system sterowania, tym samym umożliwiając weryfikację założeń koncepcji. „Nasza technologia STES, która cechuje się minimalnymi stratami ciepła, może pokryć do 60 % rocznego zapotrzebowania budynku mieszkalnego na energię i umożliwi wykorzystanie energii słonecznej w regionach o ograniczonym nasłonecznieniu w miesiącach zimowych. Może to być przełom w sektorze budownictwa mieszkalnego, gdyż umożliwi znaczne obniżenie kosztów energii i emisji, a także przyspieszy osiągnięcie celów polityki energetycznej UE i przełoży się na zwiększenie jej niezależności energetycznej”, podsumowuje Karellas.
Słowa kluczowe
SWS-HEATING, energia, słoneczny, selektywny sorbent wody, STES, sezonowy magazyn ciepła, jednopłytowy wymiennik ciepła, adsorbent, energia słoneczna
