Was ist thermischer Energiespeicher – Definition

Aus thermodynamischer Sicht basiert die Speicherung von fühlbarer Wärme auf der Erhöhung der Enthalpie des Materials im Speicher, in den meisten Fällen entweder einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs. Der sinnvolle Effekt ist eine Temperaturänderung. Die gespeicherte Wärme kann durch die folgende Gleichung erhalten werden:

Wärmekapazität

Verschiedene Substanzen  sind betroffen  unterschiedliche Größen  durch die  Zugabe von Wärme . Wenn verschiedenen Substanzen eine bestimmte Wärmemenge zugesetzt wird, steigen ihre Temperaturen um unterschiedliche Mengen. Diese  Proportionalitätskonstante  zwischen der  Wärme Q  , die das Objekt absorbiert oder verliert, und der resultierenden  Temperaturänderung T  des Objekts ist als  Wärmekapazität C  eines Objekts bekannt.

C = Q / ΔT

Die Wärmekapazität  ist eine  umfangreiche Eigenschaft  der Materie, dh sie ist proportional zur Größe des Systems. Die Wärmekapazität C  hat die Energieeinheit pro Grad oder Energie pro Kelvin. Wenn das gleiche Phänomen wie eine  intensive Eigenschaft ausgedrückt  wird , wird die  Wärmekapazität durch die Menge an Substanz, Masse oder Volumen geteilt, sodass die Menge unabhängig von der Größe oder dem Ausmaß der Probe ist.

Latentwärmespeicher (LHS)

Ein üblicher Ansatz zur Speicherung von Wärmeenergie ist die Verwendung von Materialien, die als Phasenwechselmaterialien (PCMs) bekannt sind. Diese Materialien speichern Wärme, wenn sie eine Phasenänderung erfahren , beispielsweise von fest zu flüssig, von flüssig zu gasförmig oder von fest zu fest (Änderung einer kristallinen Form in eine andere ohne physikalische Phasenänderung).

Der Phasenwechsel „ Fest-Flüssig “ wird am häufigsten verwendet, aber auch der Wechsel von Feststoff zu Feststoff ist von Interesse. Diese Materialien können als effektive Methode zur Speicherung von Wärmeenergie (Sonnenenergie, Strom außerhalb der Spitzenzeiten, industrielle Abwärme) verwendet werden. Im Vergleich zu sensiblen Wärmespeichersystemen hat der Latentwärmespeicher die Vorteile einer hohen Speicherdichte (aufgrund der hohen latenten Schmelzwärme ) und der isothermen Natur des Speicherprozesses. Die Schmelzwärme oder die Verdampfungswärme ist viel größer als die spezifische Wärmekapazität. Der Vergleich zwischen Latentwärmespeicher und sensibler Wärmespeicherung zeigt, dass bei Latentwärmespeichern die Speicherdichten typischerweise 5 bis 10 mal höher sind.

Im Allgemeinen sind latente Wärmeeffekte, die mit der Phasenänderung verbunden sind, signifikant. Latente Wärme , auch als Verdampfungsenthalpie (Phasenwechsel von Flüssigkeit zu Dampf) oder Schmelzenthalpie (Phasenwechsel von Fest zu Flüssig) bekannt, ist die Wärmemenge, die einer Substanz zugesetzt oder von ihr entfernt wird, um eine Änderung zu bewirken Phase. Diese Energie baut die intermolekularen Anziehungskräfte auf und muss auch die Energie liefern, die zur Expansion der Substanz erforderlich ist (die pΔV-Arbeit ). Wenn latente Wärme hinzugefügt wird, tritt keine Temperaturänderung auf.

Phasenwechselmaterial

Phasenwechselmaterialien (PCM) sind Latentwärmespeichermaterialien. Es ist möglich, Materialien mit einer latenten Schmelzwärme und Schmelztemperatur innerhalb des gewünschten Bereichs zu finden. Das PCM, das beim Entwurf von Wärmespeichersystemen verwendet werden soll , sollte die gewünschten thermophysikalischen, kinetischen und chemischen Eigenschaften erreichen.

Thermophysikalische Eigenschaften

• Geeignete Phasenübergangstemperatur für die spezifische Anwendung.
• Hohe latente Phasenübergangswärme, um das minimal mögliche Volumen einzunehmen. .
• Schmelztemperatur im gewünschten Betriebstemperaturbereich.
• Hohe spezifische Wärme zur Bereitstellung eines zusätzlichen signifikanten sensiblen Wärmespeichers.
• Hohe Wärmeleitfähigkeit zur Minimierung des Temperaturgradienten und zur Unterstützung des Ladens und Entladens der Energie der Speichersysteme.
• Kleine Volumenänderungen bei der Phasenumwandlung und kleiner Dampfdruck bei Betriebstemperaturen, um das Eindämmungsproblem zu verringern.

Kinetische Eigenschaften

• Hohe Keimbildungsrate zur Vermeidung von Unterkühlung der flüssigen Phase.
• Hohe Kristallwachstumsrate, so dass das System die Anforderungen der Wärmerückgewinnung aus dem Speichersystem erfüllen kann.

Chemische Eigenschaften

• Aus Sicherheitsgründen ungiftige, nicht brennbare und nicht explosive Materialien.
• Chemische Langzeitstabilität und vollständiger reversibler Schmelz- / Gefrierzyklus.
• Kein Abbau nach einer großen Anzahl von Gefrier- / Schmelzzyklen.
• Geringe Korrosivität

Schließlich muss das Material reichlich vorhanden, verfügbar und billig sein, um die Machbarkeit der Verwendung des Speichersystems zu verbessern.

Es gibt eine große Anzahl von PCMs, die in drei Gruppen unterteilt werden können:

• Organische PCMs
• Anorganische PCMs
• Eutektische PCMs

Beispielsweise kann der Wärmespeicher in konzentrierenden Solarkraftwerken (CSP) verwendet werden, bei denen der Hauptvorteil in der Fähigkeit besteht, Energie effizient zu speichern und den Stromversand über einen Zeitraum von bis zu 24 Stunden zu ermöglichen. In einer CSP-Anlage, die Speicher enthält, wird die Sonnenenergie zuerst zum Erhitzen der Salzschmelze oder des synthetischen Öls verwendet, um Wärmeenergie bei hohen Temperaturen in isolierten Tanks zu speichern. Später wird heißes geschmolzenes Salz zur Dampferzeugung verwendet, um Strom durch Dampfturbogenerator gemäß Anforderung zu erzeugen. Die Nutzung sowohl latenter als auch sensibler Wärme in konzentrierten Solarkraftwerken ist mit solarthermischem Hochtemperatureintrag möglich. Verschiedene eutektische Metallmischungen wie Aluminium und Silizium (AlSi12) bieten einen hohen Schmelzpunkt (577 ° C), der für eine effiziente Dampferzeugung geeignet ist.

Thermochemische Lagerung

Einer von drei möglichen Ansätzen zur Speicherung von Wärmeenergie ist die Verwendung reversibler thermochemischer Reaktionen . Der wichtigste Vorteil der thermochemischen Speichermethode besteht darin, dass die Reaktionsenthalpie erheblich größer ist als die spezifische Wärme oder die Schmelzwärme. Daher ist die Speicherdichte viel besser. Bei chemischen Reaktionen wird Energie in den chemischen Bindungen zwischen den Atomen gespeichert , aus denen die Moleküle bestehen. Energiespeicherauf atomarer Ebene schließt Energie ein, die mit Elektronenorbitalzuständen verbunden ist. Unabhängig davon, ob eine chemische Reaktion Energie absorbiert oder freisetzt, ändert sich die Energiemenge während der Reaktion insgesamt nicht. Das liegt am Energieerhaltungsgesetz , das besagt:

Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden . Während einer chemischen Reaktion kann sich die Form der Energie ändern .

Ein Beispiel für ein experimentelles Speichersystem, das auf chemischer Reaktionsenergie basiert, ist die Salzhydrat-Technologie . Das System ist besonders vorteilhaft für die saisonale Speicherung von Wärmeenergie . Das System nutzt die Reaktionsenergie, die entsteht, wenn Salze hydratisiert oder dehydriert werden. Es speichert Wärme in einem Behälter, der 50% ige Natriumhydroxidlösung (NaOH) enthält. Wärme (z. B. durch Verwendung eines Sonnenkollektors) wird durch Verdampfen des Wassers in einer endothermen Reaktion gespeichert. Bei erneuter Zugabe von Wasser wird bei einer exothermen Reaktion bei 50 ° C Wärme freigesetzt. Gegenwärtige Systeme arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 60%.