فناوری ذخیره سازی حرارتی

انرژی حرارتیبه عنوان یکی از مهمترین منابع انرژی مورد استفاده بشر، عمدتاً بر اساس اصول کار خود به سه دسته ذخیره سازی حرارتی معقول، ذخیره سازی حرارتی نهان (تغییر فاز) و ذخیره سازی حرارتی ترموشیمیایی طبقه بندی می شود. 40% تا 50% مصرف نهایی انرژی را تشکیل می دهد و کاربردهای آن بسیار وسیع-می باشد. در سیستم توسعه و استفاده از انرژی فعلی، تقریباً تمام فرآیندهای تبدیل انرژی شامل انرژی حرارتی است. با این حال، به دلیل اتلاف انرژی اجتناب ناپذیر در طول تبدیل انرژی، فناوری ذخیره سازی حرارتی به ندرت به طور مستقیم برای ذخیره انرژی الکتریکی اعمال می شود (یعنی شرایطی که هر دو ورودی و خروجی انرژی الکتریکی هستند). در عوض، اغلب به عنوان یک حلقه در زنجیره تبدیل انرژی یا به سادگی برای سیستم های حرارتی استفاده می شود.

ذخیره سازی حرارت معقول

فناوری ذخیره سازی حرارت محسوس روشی برای ذخیره و آزادسازی گرما با استفاده از تغییرات دمای یک ماده است. مکانیسم کار آن نسبتاً ساده است: ذخیره یا انتشار گرما با گرم کردن یا خنک کردن محیط حاصل می شود. در طی این فرآیند، محیط تحت تبدیل شیمیایی یا تغییر فاز قرار نمی‌گیرد و کنترل و عملکرد پایدار کل سیستم را آسان می‌کند. علاوه بر این، انواع زیادی از چنین مواد ذخیره‌سازی حرارتی با هزینه کم وجود دارد که آنها را برای کاربردهای{3} در مقیاس بزرگ مناسب می‌سازد. این فناوری نه تنها بسیار بالغ است، بلکه پتانسیل کاربرد گسترده ای را در زمینه های مختلف نشان می دهد. با این حال، ذخیره‌سازی گرمای معقول با چالش‌هایی مانند چگالی انرژی کم، اندازه تجهیزات بزرگ، اتلاف حرارت قابل توجه در طول ذخیره‌سازی طولانی مدت-و دمای خروجی ناپایدار نیز مواجه است. رسانه های ذخیره حرارت محسوس را می توان به طور کلی به دو دسته تقسیم کرد: مایع و جامد. مواد متداول ذخیره حرارت مایع عبارتند از آب، روغن حرارتی، نمک مذاب و فلز مایع. در این میان، آب به دلیل ایمنی و پایداری خوب و اینکه دمای ذخیره حرارت آن معمولاً از 100 درجه بیشتر نمی‌شود، در سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی و گرمایش فضا کاربرد فراوانی دارد. روغن‌های حرارتی، با هدایت حرارتی عالی و محدوده دمای عملیاتی وسیع، در برنامه‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی با دمای متوسط- و بالا-استفاده شده‌اند. با این حال، هزینه بالا، اشتعال پذیری، و خطرات احتمالی فشار بالا در سیستم های حلقه بسته، منجر به جایگزینی تدریجی آنها با گزینه های برتر دیگر شده است. در مقابل، نمک‌های مذاب، با فشار بخار اشباع کم، ویسکوزیته کم، هدایت حرارتی بالا، غیر{17}}اشتعال‌پذیری، و غیرسمی بودن، عملکرد خوبی در دماهای متناظر با پارامترهای جریان اصلی بخار دارند و نسبتاً ارزان هستند، که آنها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای تبدیل ترموالکتریک خورشیدی تبدیل می‌کند. با این حال، در دماهای محیطی بسیار بالا، نمک های مذاب ممکن است خطوط لوله و تجهیزات مربوطه را خورده کنند، که نیاز به تحقیقات بیشتر و بهبود سازگاری و مقاومت حرارتی آنها با فولاد ضد زنگ دارد. فلزات مایع، به دلیل رسانایی حرارتی بسیار بالا، به عنوان محلول ذخیره حرارتی با دمای بالا (بیش از 600 درجه) در نظر گرفته می‌شوند. با این حال، با توجه به خواص شیمیایی بسیار واکنش پذیر آنها، اقدامات ایمنی اضافی برای اطمینان از عملکرد عادی سیستم مورد نیاز است و هزینه بالای آنها آنها را در مراحل اولیه اکتشاف نگه می دارد.

مواد متداول ذخیره حرارتی جامد شامل بتن، سنگ و آجرهای نسوز است. در مقایسه با مواد ذخیره‌سازی حرارتی مایع، مواد ذخیره‌سازی حرارتی جامد می‌توانند در دماهای بالاتر کار کنند و گرمای بیشتری را در همان فضا ذخیره کنند، که به معنای کاهش مقدار مواد مورد نیاز و کاهش هزینه کلی است.

ذخیره سازی حرارتی نهان (تغییر فاز).

فناوری ذخیره سازی انرژی حرارتی تغییر فاز در درجه اول بر گرمای نهان به عنوان شکل اصلی ذخیره انرژی متکی است. این فناوری از جذب یا انتشار مقادیر زیادی گرمای نهان در طول انتقال فاز برای ذخیره گرما استفاده می کند. در طول این فرآیند، دمای مواد تقریبا ثابت می ماند. این فناوری ذخیره انرژی حرارتی دارای مزایای قابل توجهی مانند چگالی انرژی بالا و حجم کم است.

فرآیندی که طی آن ماده از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود، انتقال فاز نامیده می شود. به طور معمول، این انتقال در شرایط همدما یا نزدیک{1}}همدما رخ می‌دهد و با تغییر انرژی قابل توجه-جذب یا آزاد شدن مقدار زیادی گرما همراه است. این انرژی به عنوان گرمای نهان انتقال فاز تعریف می شود. به ویژه، گرمای نهان درگیر در انتقال فاز اکثر مواد بسیار بزرگتر از گرمای محسوس است. به عنوان مثال، آب دارای ظرفیت گرمایی ویژه تقریباً 4.2 کیلوژول بر کیلوگرم · درجه است و در طول انتقال از حالت جامد به حالت مایع (ذوب شدن یخ به آب)، آب می تواند 355 کیلوژول بر کیلوگرم انرژی را به عنوان گرمای نهان انتقال فاز جذب کند. بنابراین، از نظر چگالی انرژی، استفاده از گرمای نهان انتقال فاز به طور قابل توجهی نسبت به روش‌هایی که صرفاً بر گرمای محسوس متکی هستند برتری دارد.

انتقال فاز ماده عمدتاً شامل چهار نوع است: جامد-جامد، جامد-مایع، جامد-گاز و مایع-گاز. اگرچه انتقال‌های گاز جامد-گاز و مایع-گاز دارای مقادیر گرمای نهان بالایی هستند، تغییرات حجم قابل توجه در این موارد دشواری عملکرد عملی را افزایش می‌دهد و در نتیجه کاربرد آنها را محدود می‌کند. در مقابل، انتقال فاز جامد{8}}، که زمانی رخ می‌دهد که یک ماده جامد از یک حالت بلوری به حالت دیگر تبدیل می‌شود، تغییرات حجمی کمتر و فوق‌سرد شدن کمتری را نشان می‌دهد، اما گرمای آزاد شده یا جذب شده عموماً کمتر از سایر فرآیندهای انتقال فاز است. در انتقال فاز جامد{10}}مایع، ماده از حالت جامد به مایع تبدیل می‌شود. اگرچه این فرآیند به ظرف خاصی برای نگهداری مایع نیاز دارد، تغییر حجم بسیار کمتر از انتقال فاز جامد-گاز و مایع-گاز است، و گرمای نهان درگیر به طور قابل توجهی بیشتر از انتقال فاز جامد{14}}جامد است. با توجه به این ویژگی‌ها، انتقال فاز جامد{16}}مایع در حال حاضر عملی‌ترین و پرکاربردترین روش ذخیره‌سازی حرارتی تغییر فاز در نظر گرفته می‌شود.

در حال حاضر، انواع مختلفی از مواد مورد استفاده در فناوری ذخیره سازی حرارتی تغییر فاز وجود دارد که عمدتاً بر اساس ترکیب شیمیایی آنها به دو دسته تقسیم می شوند: آلی و معدنی. مواد تغییر فاز آلی عمدتاً شامل موادی مانند موم پارافین، الکل ها و اسیدهای چرب هستند. در حالی که مواد تغییر فاز معدنی با نمک های هیدراته کریستالی، نمک های مذاب و فلزات یا آلیاژهای آنها نشان داده می شوند. به طور کلی، مواد تغییر فاز آلی برای ذخیره انرژی حرارتی در محدوده دمای پایین تا متوسط ​​مناسب‌تر هستند، در حالی که مواد تغییر فاز معدنی عملکرد ذخیره‌سازی انرژی حرارتی بهتری را در شرایط دمای متوسط ​​تا بالا نشان می‌دهند.

ذخیره سازی حرارتی ترموشیمیایی

فناوری ذخیره‌سازی انرژی حرارتی ترموشیمیایی دارای چگالی انرژی بسیار بالایی در واحد حجم است که به GJ/m³ می‌رسد. در مقایسه، چگالی انرژی مواد ذخیره‌سازی گرمای محسوس تنها حدود یک دهم است، و چگالی انرژی مواد ذخیره‌سازی گرمای نهان تنها نصف است. علاوه بر این، با جداسازی واکنش‌دهنده‌ها، این فناوری می‌تواند به ذخیره‌سازی انرژی حرارتی صفر{3}}در دمای اتاق دست یابد، بنابراین به‌طور گسترده یکی از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها برای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در مقیاس بزرگ و بلندمدت در نظر گرفته می‌شود. بر اساس تغییرات پیوند شیمیایی مختلف در فرآیند ذخیره سازی انرژی، ذخیره انرژی حرارتی ترموشیمیایی را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: ذخیره انرژی حرارتی جذب شیمیایی و ذخیره انرژی حرارتی واکنش شیمیایی.

ذخیره‌سازی حرارتی جذب شیمیایی مخصوصاً برای کاربردها در محیط‌های{0}در دمای پایین مناسب است. این متکی بر تشکیل و شکستن نیروهای بین مولکولی فیزیکی یا شیمیایی (مانند نیروهای واندروالس، نیروهای الکترواستاتیکی و پیوندهای هیدروژنی) بین جاذب های جامد و جاذب های گازی برای رسیدن به ذخیره سازی و انتشار گرما است. این فناوری عمدتاً شامل دو دسته از سیستم ها می شود: یکی سیستم نمک هیدراته با استفاده از بخار آب به عنوان جاذب. دیگری یک سیستم پیچیده آمونیاک است که از مولکول های آمونیاک به عنوان جاذب استفاده می کند. جدول 1-2 انواع خاص، دماهای ذخیره/رهاسازی گرما، و چگالی ذخیره انرژی چندین ماده ذخیره حرارتی جذب شیمیایی رایج را نشان می دهد.

جدول 1-2 ویژگی‌های مواد ذخیره‌سازی حرارتی جذب شیمیایی رایج:

ذخیره انرژی حرارتی واکنش شیمیایی عمدتاً در شرایط دمای متوسط- و{{1} بالا اعمال می‌شود و سیستم‌های آن متنوع هستند، از جمله اصلاح متان، سنتز و تجزیه آمونیاک، هیدریدهای فلز، کربنات‌ها، اکسیدهای فلزی و هیدروکسیدهای فلز. این روش ها ذخیره و آزادسازی انرژی حرارتی را از طریق شکستن و ترکیب مجدد پیوندهای شیمیایی انجام می دهند. این نوع ذخیره انرژی دارای مقادیر واکنش بزرگ، چگالی انرژی بالا و محدوده دمای عملیاتی وسیعی است. با این حال، در کاربردهای عملی، چالش‌هایی از جمله کنترل هزینه، خوردگی مواد و ذخیره‌سازی گاز باقی می‌ماند. بنابراین، انجام تحقیقات عمیق در مورد مکانیسم‌های واکنش مربوطه و بهینه‌سازی جریان فرآیند برای بهبود عملکرد کلی ضروری است.

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی حرارتی ترموشیمیایی دارای ساختارهای پیچیده و دستگاه‌های کمکی متعددی هستند که منجر به هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه بالا می‌شود. در حال حاضر، چگالی انرژی فوق‌العاده-در واحد حجم به طور کامل مورد استفاده قرار نگرفته است. علاوه بر این، به دلیل پیچیدگی مکانیسم‌های واکنش شیمیایی درگیر، کنترل دقیق نرخ‌های واکنش چالش برانگیز است و برخی از فرآیندهای واکنش دارای الزامات ایمنی سخت‌گیرانه هستند و کارایی کلی سیستم را بیشتر بهبود می‌بخشند. بنابراین، برای رسیدگی به این مسائل، تحقیقات عمیق‌تر{4} در مورد فناوری ذخیره‌سازی انرژی حرارتی حرارتی مورد نیاز است.