Słodkie rozwiązanie problemu magazynowania energii cieplnej

Dziedziną, która bywa pomijana w badaniach mających na celu ograniczenie zużycia paliw kopalnych i zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery, jest magazynowanie energii cieplnej. Na przykład, o ile przeprowadzono liczne badania dotyczące gromadzenia i wykorzystywania energii słonecznej i wiatrowej, to istnieje niewiele prac, które próbowałyby odpowiedzieć na pytanie, jak magazynować nadmiar energii do wykorzystania przy braku światła słonecznego czy słabym wietrze.

Zwykle jako rozwiązanie proponuje się akumulatory lub, w niektórych przypadkach, elektrownie szczytowo-pompowe, przy czym obie technologie dalekie są od doskonałości. W rzeczywistości niektóre ich wady mogą przeważać nad korzyściami środowiskowymi wynikającymi z wykorzystania energii słonecznej i wiatrowej.

Jednym z rozwiązań może być przemiana energii w energię cieplną i magazynowanie jej w instalacjach przeznaczonych do tego celu, które jak wykazano są zasadniczo bardziej wydajne, skuteczniej wychwytują ciepło odpadowe i umożliwiają dostarczanie tańszej energii. Zanim możliwe będzie powszechne wykorzystywanie energii cieplnej, konieczne jest jednak przeprowadzenie badań nad opłacalną technologią magazynowania o dużej gęstości.

Tego właśnie dokonali uczestnicy projektu SAM.SSA, finansowanego ze środków UE.

Myślenie niestandardowe

Celem projektu było opracowanie nowych materiałów ulegających przemianie fazowej (PCM), przeznaczonych do sezonowego magazynowania energii (STES) w zakresie średnich temperatur. Badacze chcieli, aby materiały te były niedrogie, przyjazne środowisku, bezpieczne i łatwe w użyciu. Umożliwiałyby też długoterminowe magazynowanie energii dzięki dużo niższym stratom ciepła niż w przypadku aktualnie dostępnych rozwiązań.

Było to nowatorskie podejście do problemu, ponieważ PCM zwykle nie są uważane za rozwiązanie nadające się do STES. Wynika to z ich małej gęstości energii oraz dużego ryzyka zestalania się podczas magazynowania, powodowanego przez nieodpowiednią izolację mającą utrzymywać temperaturę poniżej punktu topnienia.

Magiczny materiał

W projekcie SAM.SSA za magiczny materiał umożliwiający pokonanie problemu PCM uznano alkohol cukrowy, powszechnie i łatwo dostępny produkt odpadowy przemysłu spożywczego. Materiał ten, znany także pod nazwą MASA ("molecular alloys based on sugar alcohols"), umożliwia regulację punktu topnienia, a tym samym znaczące zwiększenie gęstości energii. Jak można przeczytać w artykule na temat projektu, jaki ukazał się niedawno w czasopiśmie The Journal of Physical Chemistry, alkohole cukrowe, po zmieszaniu z nanorurkami węglowymi, tworzą materiał zdolny do magazynowania energii odnawialnej w postaci ciepła.

Uczeni skupili się na alkoholach cukrowych, gdyż pozwalają one na uzyskanie wysokiego stopnia przechłodzenia, co minimalizuje ryzyko spontanicznego zestalania się PCM. Alkohole te umożliwią też zmniejszenie wymagań w zakresie izolacji oraz strat cieplnych podczas magazynowania długoterminowego. Zastosowanie miejscowego szoku termicznego lub ultradźwięków powoduje nukleację, a następnie krystalizację materiału, dzięki czemu można łatwo i szybko rozładować energię z systemu magazynującego.

Tworzenie fundamentów

Naukowcy odkryli, że po zmieszaniu nanorurek węglowych o różnej wielkości z dwoma rodzajami alkoholów cukrowych — erytrytolem i ksylitolem — z jednym wyjątkiem, przenikanie ciepła w mieszaninie zmniejsza się wraz ze wzrostem średnicy nanorurek. Ustalili też, że z zasady, kombinacje o większej gęstości oznaczają większe przenikanie ciepła. Odkrycia te mają istotne znaczenie, ponieważ tworzą fundamenty pod przyszłe opracowanie systemów magazynowania energii opartych na alkoholach cukrowych.

W momencie zakończenia projektu uczeni mieli już gotowy wstępny prototyp umożliwiający obchodzenie się z czystym alkoholem cukrowym lub mieszaninami alkoholi cukrowych w celu uzyskania krystalizacji. Dzięki stworzeniu podstawowych koncepcji dla kolejnych, opracowywanych już prototypów, a także przygotowaniu strategii wykorzystania nowych materiałów, naukowcy uczestniczący w projekcie SAM.SSA z optymizmem patrzą na MASA jako rozwiązanie problemu magazynowania energii cieplnej.

Więcej informacji:
strona internetowa projektu SAM.SSA