Reklama
 
 
 
Długoterminowe magazynowanie energii cieplnej w oparciu o zjawiska adsorpcji i desorpcji
Ocena użytkowników: / 2
SłabyŚwietny 
Data dodania: 02.06.2016

W artylkule przedstawiono koncepcję otwartego systemu długoterminowej akumulacji ciepła, opierającego się o zjawiska adsorpcji fi zycznej ekologicznych par roboczych (pary wodnej, zawartej w powietrzu na zeolitach), współpracującego z instalacją solarną.

 

Główną wadą odnawialnych źródeł energii jest brak zapewnienia stałych dostaw energii, dostosowanych do aktualnych potrzeb użytkowników [4]. Najlepszym przykładem jest energia słoneczna, która jest źródłem o dużym potencjale, lecz wciąż mało wykorzystywanym. Powodem jest przede wszystkim jego niekoherentność (rys. 1.).

 

 

2016 5 40 1

Rys. 1. Porównanie zapotrzebowania na energię cieplną na cele ogrzewania domu jednorodzinnego oraz wartości natężenia promieniowania słonecznego w skali roku [8, 11]

 

 

Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest wdrożenie efektywnych systemów sezonowej akumulacji energii. Do najpowszechniej stosowanych należy akumulacja ciepła w postaci jawnej i utajonej [4, 15, 17]. Takie systemy nie są w stanie przechować pobranej energii przez okres kilku miesięcy [4]. W artykule skupiono się na długoterminowym magazynowaniu energii cieplnej poprzez zastosowanie procesów, wykorzystujących egzo- i endotermiczne reakcje fizyczne i chemiczne. W takich przypadkach ciepło jest zmagazynowane w postaci potencjału chemicznego, co umożliwia odzysk energii po okresie nawet kilku miesięcy [4]. Do wykorzystywanych procesów zaliczają się zjawiska adsorpcji i desorpcji, a systemy akumulacji mogą być z powodzeniem stosowane w pompach ciepła, technice klimatyzacyjnej i instalacjach odzysku ciepła [21].

 

 

Adsorpcyjna akumulacja ciepła

 

Podstawowym parametrem, który pozwala ocenić działanie instalacji oraz porównać skuteczność różnych rozwiązań, jest gęstość magazynowania ciepła, definiowana jako ilość zakumulowanej energii na jednostkę masy lub objętości. Wartość ta silnie zależy od temperatury operacyjnej systemu. Zazwyczaj podaje się ją w oparciu o ilość materiału akumulacyjnego, lecz może być również odniesiona do całości instalacji, głównie zbiorników i wymienników ciepła [4].

 

Systemy bazujące na sorpcji odznaczają się wyższą wartością gęstości magazynowania energii, niż powszechnie wykorzystywane metody, co przekłada się na mniejszą objętość materiału, konieczną do zakumulowania danej ilości ciepła (rys. 2.). Jest to jedna z przyczyn rosnącego zainteresowania tą techniką akumulacji energii cieplnej. 

 

 

2016 5 40 2

Rys. 2. Objętość konieczna do zmagazynowania 1850 kWh energii cieplnej (z uwzględnieniem 25% strat cieplnych, wynikających z podgrzania wody o 70°C) [5]

 

 

Opis procesu

 

Adsorpcję można zdefi niować jako egzotermiczny proces wiązania cząstek par na powierzchni materiału porowatego. Proces odwrotny, podczas którego pod wpływem dostarczonej energii cieplnej pary wcześniej zaadsorbowanego czynnika zostają uwolnione nosi miano desorpcji [21]. Można go opisać następującym równaniem:

 

AB + Q  A + B

 

gdzie:

Q – dostarczona energia cieplna,

A – substancja adsorbująca (adsorbent),

B – substancja adsorbowana (adsorbat).

Razem stanowią tak zwaną parę roboczą.

 

 

Podczas procesu ładowania akumulatora ciepło jest dostarczane do pary roboczej, co powoduje uwolnienie par adsorbatu. Następuje więc rozdzielenie komponentów, które mogą być przechowywane osobno. W procesie rozładowywania akumulatora para robocza wchodzi w interakcję, podczas której adsorbat zostaje uwięziony w porowatej strukturze materiału adsorbującego. Podczas tego procesu następuje uwolnienie użytecznej energii cieplnej.

 

W systemach adsorpcyjnych energia cieplna, dostarczona do akumulatora w fazie ładowania ( ) w rzeczywistości ma trzy główne składowe:

 

Qład = Qj + Qp +Qcz

 

gdzie:

Qj – ciepło jawne, związane z podgrzaniem materiału do temperatury, w której może zostać zrealizowany proces desorpcji.

Qp – ciepło parowania adsorbatu

Qcz – energia wiązań molekularnych pomiędzy adsorbentem a adsorbatem. Odniesione do jednostki masy, określane jest mianem jednostkowego ciepła adsorpcji [21].

 

Suma Qcz oraz Qp stanowi energię cieplną, za której sprawą zachodzi proces desorpcji oraz która uwalniana jest podczas procesu odwrotnego.

 

Ciepło adsorpcji zależy od wielu czynników, takich jak temperatura, ciśnienie czy koncentracja adsorbatu w adsorbencie [21]. Ostatni czynnik jest najbardziej znaczący ze względu na fakt, iż wraz z ubytkiem adsorbatu wzrasta jednostkowe ciepło adsorpcji (rys. 3.). Im niższa koncentracja adsorbatu, tym więcej ciepła jest potrzebne, aby proces desorpcji mógł mieć miejsce.

 

 

2016 5 41 1

Rys. 3. Zależność jednostkowego ciepła adsorpcji (Qbind) oraz ciepła kondensacji pary wodnej (Qcond) od koncentracji wody na powierzchni zeolitów [21]

 

 

Rodzaje adsorpcyjnych systemów akumulacji ciepła 

 

Systemy akumulujące ciepło, opierające swoje działanie na zjawisku adsorpcji, można podzielić na otwarte i zamknięte [6]. 

 

Systemy zamknięte są odizolowane od środowiska zewnętrznego i pracują najczęściej w warunkach próżni [13]. Podstawę systemu stanowią reaktor, zbiornik z adsorbatem oraz wymiennik ciepła, który pełni rolę zarówno parownika, jak i skraplacza.

 

Podczas ładowania akumulatora ciepło zostaje dostarczone do reaktora, w którym zachodzi proces desorpcji. Pary sorbatu zostają następnie skroplone w skraplaczu i w postaci ciekłej przechowywane w drugim zbiorniku. Ciepło przemiany fazowej jest oddawane do dolnego źródła ciepła. Po zakończeniu procesu obydwa zbiorniki są od siebie odseparowywane. Podczas rozładowywania adsorbat jest odparowywany w wymienniku ciepła, po czym w postaci pary przepływa do reaktora, w którym następuje proces adsorpcji. Wydzielona energia cieplna jest dalej przekazywana do odbiorników.

 

Zaletą systemów zamkniętych są ich małe rozmiary oraz duży wybór materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych, przez co można je dostosować do wymaganych warunków pracy. Głównymi wadami są: złożoność systemu, co przekłada się na wyższe koszty instalacji i potrzeba dostępu do niskotemperaturowego źródła ciepła, niezbędnego do odparowania czynnika [21].

 

Systemy otwarte, w odróżnieniu od zamkniętych, pracują przy ciśnieniu otoczenia i wykorzystują wilgoć, zawartą w powietrzu (rys. 4.) [13]. Podczas fazy ładowania, pobrane z otoczenia powietrze jest ogrzewane i wprowadzane do reaktora. Przepływając przez reaktor, dostarcza energię cieplną do złoża z adsorbentem, gdzie zachodzi proces desorpcji, po czym opuszcza instalację. Podczas rozładowywania akumulatora strumień powietrza o dużej wilgotności jest przepuszczany przez reaktor. Para wodna jest adsorbowana, uwolnione ciepło ogrzewa powietrze, które jest wykorzystywane w odbiornikach ciepła. Obszar zastosowań zawężają ograniczenia materiałowe i konstrukcyjne oraz wysoka temperatura, do której trzeba podgrzać powietrze, aby umożliwić desorpcję pary wodnej. Systemy otwarte odznaczają się prostotą konstrukcji i mniejszymi nakładami inwestycyjnymi [13]. Dzięki przepływowi powietrza bezpośrednio przez adsorbent, warunki wymiany ciepła i masy są lepsze, niż w przypadku systemów zamkniętych. W [1] dokonano porównania obu systemów, bazując na analizie energetycznej i egzergetycznej. Na ich podstawie określono energię całkowitą i efektywność egzergetyczną systemów. Otrzymano wartości odpowiednio 50% i 9% dla systemu zamkniętego oraz 69% i 23% dla systemu otwartego.

 

 

2016 5 41 2

Rys. 4. Zasada działania systemu otwartego

 

 

2016 5 42 1

Rys. 5. Schemat koncepcyjny systemu sezonowej, adsorpcyjnej akumulacji ciepła. Główne elementy systemu: W1 – wymiennik rekuperacyjny, A – akumulator, W5 – wymiennik glikolpowietrze, K – kolektor słoneczny

 

 

Przegląd rozwiązań technicznych adsorpcyjnych systemów akumulacji ciepła

(...)

 

System akumulacji. Koncepcja akumulatora

(...)

 

Schemat obliczeniowy

 

Objętość złoża

(...)

 

Obliczenia procesu desorpcji

(...)

 

Wyniki i wnioski

 

Symulację przeprowadzono metodą iteracyjną z krokiem czasowym dτ = 1s. Wyniki obliczeń przedstawiają rysunki 7. i 8. 

 

Duża masa adsorbentu, znajdująca się w zbiorniku oznacza jego dużą pojemność cieplną, przez co duża ilość ciepła wymagana jest do samego ogrzania złoża do założonej temperatury. Dodatkowo, im większy zbiornik, tym większa powierzchnia wymiany ciepła i w konsekwencji większy strumień strat ciepła. Oba czynniki wpływają na wydłużenie czasu trwania procesu.

 

Biorąc pod uwagę fakt, że źródłem ciepła w procesie desorpcji jest kolektor słoneczny, a natężenie promieniowania słonecznego jest wielkością zmienną, zaistniała potrzeba skrócenia czasu, w którym część złoża osiągnie wymagane parametry.

 

Po analizie otrzymanych wyników zdecydowano się na konfigurację 2, czyli podział złoża na 4 oddzielnie ogrzewane moduły w obrębie jednego zbiornika. Łączny czas potrzebny do zakumulowania całej założonej ilości energii będzie krótszy, niż w przypadku podziału złoża na 8 części, a w okresie maja i sierpnia najwyższe wartości promieniowania utrzymują się przez około 4h [8], co odpowiada długości trwania procesu ładowania pojedynczego modułu.

 

Taka konfiguracja pozwoli na minimalizację strat cieplnych i wykorzystanie najwyższych wartości natężenia promieniowania słonecznego w krótszych okresach czasu, w celu utrzymania stałej temperatury powietrza na wlocie do reaktora. 

 

 

Podsumowanie

 

Systemy akumulacji ciepła, opierające swoje działanie na adsorpcji, wydają się być atrakcyjną alternatywą dla obecnie stosowanych metod akumulacji ciepła. Umożliwiają bezstratne magazynowanie energii cieplnej przez całe miesiące, dzięki czemu instalacje OZE, zasilane z niekoherentnych źródeł mają szansę stać się konkurencyjne pod względem opłacalności i efektywności.

 

Adsorpcyjne metody akumulacji ciepła znalazły się w centrum zainteresowania wielu naukowców i inżynierów ze względu na fakt, iż tego typu systemy mogą potencjalnie współpracować z niskotemperaturowymi źródłami ciepła. Dodatkowo, istnieje możliwość stosowania stosunkowo prostych pod względem konstrukcyjnym systemów otwartych, które nie wymagają odparowania adsorbatu.

 

Głównym ograniczeniem i problemem, który napotkano podczas obliczeń, był zakres temperatur w instalacji. Im większa różnica pomiędzy ilością zaadsorbowanej pary wodnej po procesach adsorpcji i desorpcji, tym więcej energii cieplnej może zostać zakumulowane w danej objętości złoża. Różnica ta jest proporcjonalna do różnicy temperatur złoża. Ponieważ źródłem ciepła w instalacji jest kolektor słoneczny, a nośnikiem ciepła w instalacji jest glikol, temperatura powietrza podczas regeneracji złoża nie mogła być wyższa niż 100°C. Objętość zeolitów, konieczna do akumulacji wymaganej ilości energii wyniosła 9 m3. W efekcie gęstość magazynowania energii wynosi 60 kWh/m3.

 

Choć jest to wartość niższa, niż w przypadku akumulacji w zbiorniku wodnym (przy podgrzaniu objętości 1,4 m3 o 60°C, powyższy parametr przyjmuje wartość 70 kWh/m3 [18]), to magazynowanie energii w postaci ciepła jawnego wiąże się ze stratami ciepła do otoczenia pomiędzy okresem ładowania i rozładowania akumulatora, które nie występują w instalacjach sorpcyjnych.

 

Trzeba również zaznaczyć, iż powyższe problemy wynikają głównie z właściwości zastosowanej pary roboczej. Kluczem do ich rozwiązania mogą być więc nowe materiały, które cechują się wyższym ciepłem reakcji oraz dużą zmiennością zdolności adsorpcyjnej w węższym zakresie temperatur. Dzięki temu instalacje, zasilane niekonwencjonalnymi źródłami energii mogą stać się bardziej efektywne i konkurencyjne na rynku energii.

 

 

dr inż. Bartosz ZAJĄCZKOWSKI
Katedra Termodynamiki, Teorii Maszyn i Urządzeń Cieplnych,
Politechnika Wrocławska


inż. Anna ADAMCZYK
studentka studiów II stopnia na Wydziale Mechaniczno-
-Energetycznym Politechniki Wrocławskiej

 

 

LITERATURA:

[1] ABEDIN A. H., ROSEN M.: Closed and open thermochemical energy storage. Energy, 2011. nr 41. str. 83–92.

[2] CORTÉS F. B., CHEJNE F., CARRASCOMARÍN F., MORENO-CASTILLA C., PÉREZ-CADENAS A. F.: Water adsorption on zeolite 13X: comparison of the two methods based on mass spectrometry and thermogravimetry. Adsorption, 2010. nr 16. str. 141–146.

[3] DINCER I., ROSEN M.A.: Thermal energy storage. Systems and applications, second edition. John Wiley & Sons, Chichester. 2011.

[4] EDEM K., N’TSOUKPOE, LIU H., LUO L., LE PIERRÈS N.: A review on long-term sorption solar energy storage. Renevable and Sustainable Energy Reviews. 2009. nr 13., str. 2385–2369.

[5] HADORN J.C.: Advanced storage concepts for active solar energy-IEA SHC Task32 2003-2007. In: Proceedings of fi rst international conference on solar heating, cooling and buildings. 2008.

[6] HAUER A.: Sorption Theory for Thermal Energy Storage. Bavarian Center for Applied Energy Research. ZAE Bayern. Walther-Meißner. Garching. Germany. 2002.

[7] JENKINS S. A., WASZKIEWICZ S., QUARINI G. L., TIERNEY M. J.(2002). Drying saturated zeolite pellets to assess fl uidized bed performance. Applied Thermal Engineering. nr. 22. 861–871.

[8] KASPERSKI J., DRZENIECKA-OSIADACZ A., LEWKOWICZ M., NEMŚ M.: Kalkulator Słoneczny SOLARSYM. http://fl uid.itcmp.pwr.wroc.pl/

[9] KERSKES H., SOMMER K., MÜLLERSTEINHAGEN H.: MonoSorp, Integrales Konzept zur solarthermischen Gebäudeheizung mit Sorptionswärmespeicher. Forschungsbericht. ZKA-BWPLUS. 2007.

[10] KERSKES H., METTE B., BERTSCH F., ASENBECK S., DRÜCK H.: Development of a Thermo-Chemical Energy Storage for Solar Thermal Applications. ISES, Solar World Congress, Kassel. Germany.

[11] KWIATKOWSKI J., MIJAKOWSKI M., SOWA J.: Jednorodzinny budynek referencyjny NAPE zdefi niowany na potrzeby oceny efektywności energetycznej systemów wentylacji w jednorodzinnym budynku mieszkalnym. NARODOWA AGENCJA POSZANOWANIA ENERGII S.A. Warszawa. 2014.

[12] METTE B., KERSKES H., DRÜCK H., Müller-Steinhagen H.: New highly efficient regeneration process for thermochemical energy storage.

[13] MICHEL B., NEVEU P., MAZET N.: Comparison of closed and open thermochemical processes, for long-term thermal energy storage applications. Energy. 2014. nr. 72. str. 702–716.

[14] MIKOŁAJCZAK P., KOWALSKI D., FABISIAK J., JAMROŻY R.: Budowa trzech budynków mieszklanych jednorodzinnych z garażami. ul. Tulipanowa Wrocław, budynek nr. 1 działka: 19/3, 20/3, 21/3, 22/9, 22/15. Projekt Architektoniczno – Budowlany – Zamienny.

[15] NIELSEN K.: Thermal energy storage – a state-of-the-art. A report within the research program Smart Energy-Efficient Buildings at the Norwegian University of Science and Technology and SINTEF. 2003.

[16] PN-76/B-03420 – Parametry obliczeniowe powietrza zewnętrznego.

[17] SHARMA A., TYAGI V. V., CHEN C. R., BUDDHI D.: Review on thermal energy storage. Renewable and Sustainable. 2009. nr. 13(2). str. 318–345.

[18] WAGNER W., JAHNING D., ISAKSSON C., HAUSNER R.: Endbericht fur das „Haus der Zukunft” – Projekt MODESTORE. AEE – Institut fur Nachhaltige Technologien, Gleisdorf. 2006.

[19] WANG D. C., XIA Z. Z., WU J. Y.: Design and performance prediction of a novel zeolite–water adsorption air conditioner. Energy Conversion and Management. 2006. nr. 47. str. 590–610.

[20] WANG R., WANG L., WU J.: Adsorption Refrigeration Technology. Theory and Application. John Wiley & Sons, Singapore. 2014.

[21] YU H., WANG R. Z., WANG L. W.: Sorption thermal storage for solar energy. Progress in Energy and Combustion Science. 2013. nr. 39. str. 489–514.

 

 

 

 

Reklama

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

  • Pompy ciepła 2018

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2018

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Pompy ciepła 2017

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

Reklama

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.