Termisk lagringsteknologi

Termisk energi, som en av de viktigste energikildene som brukes av menneskeheten, er hovedsakelig klassifisert i tre kategorier basert på dens arbeidsprinsipper: fornuftig termisk lagring, latent termisk (faseendring) termisk lagring og termokjemisk termisk lagring. Den står for 40 % til 50 % av det endelige energiforbruket, og applikasjonene er ekstremt-vide. I dagens energiutviklings- og utnyttelsessystem involverer nesten alle energikonverteringsprosesser termisk energi. På grunn av det uunngåelige energitapet under energikonvertering, blir termisk lagringsteknologi sjelden brukt direkte på lagring av elektrisk energi (dvs. situasjoner der både input og output er elektrisk energi). I stedet brukes det oftere som et ledd i energikonverteringskjeden eller bare brukt på termiske systemer.

Fornuftig varmelagring

Fornuftig varmelagringsteknologi er en metode for å lagre og frigjøre varme ved å utnytte endringer i temperaturen til et stoff. Dens arbeidsmekanisme er relativt enkel: varmelagring eller frigjøring oppnås ved å varme eller avkjøle mediet. Under denne prosessen gjennomgår ikke mediet kjemisk transformasjon eller faseendring, noe som gjør hele systemet enkelt å kontrollere og operere stabilt. Videre er det mange typer slike varmelagringsmaterialer tilgjengelig til lave kostnader, noe som gjør dem egnet for store-applikasjoner. Denne teknologien er ikke bare svært moden, men viser også et bredt anvendelsespotensial på flere felt. Men fornuftig varmelagring står også overfor noen utfordringer, som lav energitetthet, stor utstyrsstørrelse, betydelig varmetap under langtidslagring og ustabil utgangstemperatur. Fornuftige varmelagringsmedier kan grovt klassifiseres i to kategorier: flytende og fast. Vanlige flytende varmelagringsmaterialer inkluderer vann, termisk olje, smeltet salt og flytende metall. Blant disse er vann, på grunn av sin gode sikkerhet og stabilitet, og det faktum at varmelagringstemperaturen vanligvis ikke overstiger 100 grader, mye brukt i solvarmesystemer og romoppvarming. Termiske oljer, med sin utmerkede termiske ledningsevne og brede driftstemperaturområde, har blitt brukt i tidlige applikasjoner for lagring av termisk energi i medium- og høy-temperatur; deres høye kostnader, brennbarhet og potensielle høytrykksrisikoer i lukkede-sløyfesystemer har imidlertid ført til at de gradvis erstattes med andre overlegne alternativer. I motsetning til dette, fungerer smeltede salter, med deres lave mettede damptrykk, lave viskositet, høye termiske ledningsevne, ikke-brennbarhet og ikke-toksisitet, godt ved temperaturer som tilsvarer vanlige dampparametre og er relativt rimelige, noe som gjør dem ansett som et ideelt valg for termoelektrisk solenergikonvertering. Ved ekstremt høye omgivelsestemperaturer kan imidlertid smeltede salter korrodere rørledninger og relatert utstyr, noe som krever ytterligere forskning og forbedring av deres kompatibilitet og varmebestandighet med rustfritt stål. Flytende metaller, på grunn av deres ekstremt høye termiske ledningsevne, anses som en potensiell varmelagringsløsning med høy-temperatur (over 600 grader). På grunn av deres svært reaktive kjemiske egenskaper, kreves det imidlertid ytterligere sikkerhetstiltak for å sikre normal systemdrift, og de høye kostnadene holder dem i de tidlige stadiene av leting.

Vanlige solide termiske lagringsmaterialer inkluderer betong, stein og ildfast murstein. Sammenlignet med flytende termiske lagringsmaterialer, kan faste termiske lagringsmaterialer operere ved høyere temperaturer og lagre mer varme i samme rom, noe som betyr en reduksjon i mengden materiale som kreves og en reduksjon i totalkostnad.

Latent varme (faseendring) termisk lagring

Faseendringsteknologi for termisk energilagring er først og fremst avhengig av latent varme som hovedform for energilagring. Denne teknologien utnytter absorpsjon eller frigjøring av store mengder latent varme under faseoverganger til å lagre varme. Under denne prosessen forblir materialets temperatur nesten konstant. Denne termiske energilagringsteknologien har betydelige fordeler som høy energitetthet og lite volum.

Prosessen der materie forvandles fra en tilstand til en annen kalles en faseovergang. Vanligvis skjer denne overgangen under isotermiske eller nær -isotermiske forhold og er ledsaget av en betydelig energiendring-absorpsjon eller frigjøring av en stor mengde varme. Denne energien er definert som den latente faseovergangsvarmen. Spesielt er den latente varmen som er involvert i faseovergangen til de fleste materialer mye større enn for sensibel varme. For eksempel har vann en spesifikk varmekapasitet på ca. 4,2 kJ/kg·grad, og under overgangen fra fast til flytende tilstand (is som smelter til vann), kan vann absorbere 355 kJ/kg energi som latent faseovergangsvarme. Derfor, når det gjelder energitetthet, er bruk av den latente faseovergangsvarmen betydelig bedre enn metoder som utelukkende er avhengige av fornuftig varme.

Faseoverganger av stoff omfatter hovedsakelig fire typer: fast-fast, fast-flytende, fast-gass og flytende-gass. Selv om overganger til fast-gass og flytende-gass har høye latente varmeverdier, øker de betydelige volumendringene i disse tilfellene vanskeligheten med praktisk drift, og begrenser dermed deres anvendelse. I kontrast viser fastfaseoverganger-, som oppstår når et fast materiale transformeres fra en krystallinsk tilstand til en annen, mindre volumendringer og lavere underkjøling, men varmen som frigjøres eller absorberes er generelt lavere enn de andre faseovergangsprosessene. I faste-flytende faseoverganger endres stoffet fra fast til flytende tilstand. Selv om denne prosessen krever en spesifikk beholder for å holde væsken, er volumendringen mye mindre enn i fast-gass og flytende-gassfaseoverganger, og den involverte latente varmen er betydelig høyere enn i fastfase-fastfaseoverganger. Gitt disse egenskapene er fast-flytende faseoverganger for tiden ansett som den mest praktiske og allment anvendelige termiske lagringsmetoden for faseendring.

For tiden er det mange typer materialer som brukes i faseendring termisk lagringsteknologi, hovedsakelig delt inn i to kategorier basert på deres kjemiske sammensetning: organisk og uorganisk. Organiske faseendringsmaterialer inkluderer hovedsakelig stoffer som parafinvoks, alkoholer og fettsyrer; mens uorganiske faseendringsmaterialer er representert av krystallinske hydratiserte salter, smeltede salter og metaller eller deres legeringer. Generelt sett er organiske faseendringsmaterialer mer egnet for termisk energilagring i lavt til middels temperaturområde, mens uorganiske faseendringsmaterialer viser bedre termisk energilagringsytelse under middels til høye temperaturforhold.

Termokjemisk termisk lagring

Termokjemisk lagringsteknologi for termisk energi har ekstremt høy energitetthet per volumenhet, og når størrelsesorden GJ/m³. Til sammenligning er energitettheten til fornuftige varmelagringsmaterialer bare omtrent en-tidel, og den for latente varmelagringsmaterialer er bare halvparten. Videre, ved å separere reaktantene, kan denne teknologien oppnå null-tap termisk energilagring ved romtemperatur, og blir dermed ansett som en av de mest lovende teknologiene for stor-skala og lang-termisk energilagring. Basert på de forskjellige kjemiske bindingsendringene som er involvert i energilagringsprosessen, kan termokjemisk termisk energilagring videre deles inn i to hovedkategorier: lagring av kjemisorpsjon og termisk energilagring for kjemisk reaksjon.

Kjemisorpsjon termisk lagring er spesielt egnet for applikasjoner i miljøer med lav- temperatur. Den er avhengig av dannelse og brudd av fysiske eller kjemiske intermolekylære krefter (som van der Waals-krefter, elektrostatiske krefter og hydrogenbindinger) mellom faste adsorbenter og gassformige adsorbater for å oppnå varmelagring og frigjøring. Denne teknologien inkluderer hovedsakelig to kategorier av systemer: det ene er et hydrert saltsystem som bruker vanndamp som adsorbat; den andre er et ammoniakkkomplekssystem som bruker ammoniakkmolekyler som adsorbat. Tabell 1-2 viser de spesifikke typene, varmelagrings-/frigjøringstemperaturer og energilagringstettheter for flere vanlige kjemisorpsjons termiske lagringsmaterialer.

Tabell 1-2 Egenskaper for ofte brukte termiske lagringsmaterialer for kjemisk adsorpsjon:

Lagring av termisk energi for kjemisk reaksjon brukes hovedsakelig under middels- og høy-temperaturforhold, og systemene er forskjellige, inkludert metanreforming, ammoniakksyntese og -dekomponering, metallhydrider, karbonater, metalloksider og metallhydroksider. Disse metodene oppnår lagring og frigjøring av termisk energi gjennom brudd og rekombinasjon av kjemiske bindinger. Denne typen energilagring har store reaksjonsverdier, høy energitetthet og et bredt driftstemperaturområde. I praktiske applikasjoner gjenstår det imidlertid utfordringer, inkludert kostnadskontroll, materialkorrosjon og gasslagring. Derfor er det nødvendig å utføre-dypende forskning på de relevante reaksjonsmekanismene og optimalisere prosessflyten for å forbedre den generelle ytelsen.

Termokjemiske termiske energilagringssystemer har komplekse strukturer og mange hjelpeenheter, noe som resulterer i høye initiale investeringskostnader. Foreløpig har den ultra-høye energitettheten per volumenhet ikke blitt utnyttet fullt ut. Videre, på grunn av kompleksiteten til de involverte kjemiske reaksjonsmekanismene, er presis kontroll av reaksjonshastigheter utfordrende, og noen reaksjonsprosesser har strenge sikkerhetskrav, noe som ytterligere forbedrer den totale systemeffektiviteten. Det er derfor nødvendig med ytterligere-dypende forskning på termokjemisk teknologi for lagring av termisk energi for å løse disse problemene.