Akumulácia tepelnej energie v solárnych systémoch

V rámci metód akumulácie tepelnej energie existujú tri spôsoby, ako možno teplo uskladňovať na neskoršie využitie. Článok sa zaoberá metódami akumulácie tepelnej energie zo slnečného žiarenia, ktoré prispievajú k efektívnemu a ekologickému využitiu slnečnej energie v procese výroby tepla.

Využívanie obnoviteľných zdrojov energie na výrobu tepla predstavuje nevyhnutný proces pri snahe redukovať podiel fosílnych palív pri výrobe tepelnej energie. Napriek tomu, že snaha zvýšiť podiel využitia obnoviteľnej energie narastá, väčšina tepelnej energie sa  stále produkuje práve z procesu spaľovania fosílnych palív, čo má negatívny vplyv na životné prostredie. V súčasnosti existujú viaceré metódy, ako využiť obnoviteľné zdroje energie na výrobu tepelnej a elektrickej energie. Najväčší energetický potenciál spomedzi všetkých obnoviteľných zdrojov energie má pritom bezpodmienečne slnečná energia.

Slnečná energia

Slnko ako zdroj tepla predstavuje výhodnú alternatívu k fosílnym palivám, keďže jeho energia je nevyčerpateľná a pri vyžarovaní tepla do atmosféry sa neprodukujú žiadne emisie. Slnečné žiarenie je enormným zdrojom tepelnej energie – žiarenie, ktoré dopadá zo Slnka na zemskú atmosféru, predstavuje približne 174 PW (1 PW = 1015 W). Dopadom na zemský povrch sa intenzita žiarenia znižuje, a to prostredníctvom odrazu a absorpcie v atmosfére (6 % odraz, 16 % absorpcia) a takisto vplyvom oblakov nad zemským povrchom (20 % odraz, 3 % absorpcia). Na zemský povrch tak dopadá zvyšných približne 89 PW slnečného žiarenia.

Z hľadiska nízkej intenzity a nerovnomernosti slnečného žiarenia v čase však takúto energiu v tejto forme nemožno využiť pri aplikáciách vykurovania. Je nevyhnutné ju účinne zachytiť a následne využiť. Na zachytenie slnečnej energie slúžia slnečné kolektory, ktoré zachytávajú tepelnú energiu prostredníctvom absorbéra a odovzdávajú ju do teplonosnej látky. Keďže intenzita slnečnej energie je najväčšia v čase, keď je potreba tepla relatívne nízka (letné obdobie, poludnie), sú systémy akumulácie tepla optimálnym riešením na využitie tepelnej energie v čase, keďy je po nej zvýšený dopyt (zimné obdobie, ráno/večer). Akumulácia tepelnej energie má široké využitie v rôznych teplotných rozsahoch, a to na účely vykurovania, ohrevu pitnej vody, technológií alebo výroby elektrickej energie.

Obr. 1 Systém centralizovaného zásobovania teplom so zdrojom tepla zo slnečných kolektorov a s využitím veľkokapacitného podzemného zásobníka

V poslednom čase sa v súvislosti s rozvojom technológií využitia obnoviteľných zdrojov na výrobu tepla budujú v krajinách ako Dánsko či Nemecko systémy centralizovaného zásobovania teplom, ktoré využívajú slnečnú energiu. Práve pri týchto systémoch je akumulácia tepla kľúčovým komponentom na ich optimálnu funkciu. Schéma centralizovaného zásobovania teplom s využitím slnečnej energie je znázornená na obr.  1.

Akumulácia slnečnej energie

Slnečná energia sa v rámci termických aplikácií využíva predovšetkým na sezónny ohrev pitnej vody. Na účely vykurovania je využiteľnosť slnečnej energie značne limitovaná, a to z dôvodu nízkej intenzity slnečného žiarenia v čase, keď je potreba tepla najvyššia. Na dosiahnutie požadovaného tepelného výkonu vo vykurovacej sezóne by bola potrebná neprijateľne veľká plocha kolektorov z hľadiska investičných nákladov. Akumulácia tepla preto predstavuje vhodnú alternatívu, ako využívať tepelnú energiu, ktorá sa ľahko získa v období, keď je slnečné žiarenie najintenzívnejšie, a následne sa využije v období, keď je po teple dopyt. Vo všeobecnosti sa tepelná energia akumuluje v zásobníkoch, ktoré sa líšia konštrukčným riešením v závislosti od účelu energetického systému (obr. 2).

Obr. 2 Rôzne typy zásobníkov v závislosti od ich použitia: 1) akumulačný zásobník teplej vody na vykurovanie, 2) zásobníkový ohrievač ohriatej pitnej vody s dvomi výmenníkmi tepla (solárny a kotlový okruh), 3) kombinovaný zásobníkový ohrievač na podporu vykurovania a ohrev pitnej vody (Zdroj: Buderus)

Kritériá na akumuláciu tepla

Pri návrhu systému na akumuláciu tepelnej energie existujú tri hlavné kritériá, ktoré sa musia zohľadniť. Ide o technické parametre jednotlivých komponentov, návratnosť investícií a environmentálny vplyv. Kľúčovým faktorom pri návrhu systému akumulácie tepla sú optimálne technické vlastnosti. 

Pri návrhu akéhokoľvek akumulačného systému možno potom vo všeobecnosti definovať vlastnosti, ktoré je nevyhnutné zvážiť:

• vysoká tepelná kapacita (kJ/(kg . K)),
• vysoká tepelná vodivosť (W/(m . K)),
• reverzibilita,
• stabilita,
• chemická kompatiblita,
• nízka toxicita, horľavosť,
• cenová dostupnosť.

Najvýznamnejšou vlastnosťou je tepelná kapacita látky, ktorá priamo ovplyvňuje množstvo akumulovaného tepla v látke vo vzťahu k objemu. Čím je tepelná kapacita vyššia, tým je potrebný menší objem látky na akumuláciu istého množstva tepla. Významnou vlastnosťou je aj tepelná vodivosť, ktorá ovplyvňuje prenos tepla na rozhraní medzi látkou, ktorá akumuluje teplo, a teplonosnou látkou, ktorá teplo distribuuje z akumulačného systému na miesto odberu. Vyššia tepelná vodivosť zabezpečí lepší prenos tepla a zvýšenie účinnosti. V neposlednom rade je dôležitá aj reverzibilita látky, t. j. schopnosť opakovane sa ohrievať/ochladzovať bez degradácie materiá­lu. Táto vlastnosť je mimoriadne dôležitá pri látkach, ktoré menia skupenstvo v procese ohrievania, resp. ochladzovania.

Spôsoby a technické riešenia akumulácie tepla

V rámci metód akumulácie tepelnej energie existujú z fyzikálneho, resp. chemického hľadiska tri spôsoby, ako možno teplo uskladňovať na neskoršie využitie:

1. akumulácia citeľného tepla,
2. akumulácia latentného tepla,
3. akumulácia tepla vo forme chemickej reakcie.

Každá metóda disponuje inou tepelnou kapacitou v závislosti od objemu látky, ktorá teplo akumuluje, pričom najnižšiu kapacitu vykazuje citeľné teplo a najvyššiu kapacitu teplo viazané vo forme chemickej reakcie. Jednotlivé metódy sa líšia aj náročnosťou na prevádzku a realizáciu a každá metóda je zároveň vhodná pri iných aplikáciách.

Akumulácia citeľného tepla

Pri akumulácii citeľného tepla sa tepelná energia uskladňuje počas ohrievania látky, ktorá má vhodné vlastnosti na tieto účely. Princíp akumulácie citeľného tepla je znázornený na obr. 3. Najčastejšie sa na akumuláciu tepelnej energie vo forme citeľného tepla využíva voda, ktorá ma vysokú tepelnú kapacitu (4,18 kJ/(kg . K)). Tento spôsob sa využíva predovšetkým na akumuláciu ohriatej pitnej vody v obytných budovách.

Fyzikálna podstata akumulácie citeľného tepla je založená na princípe kalorimetrickej rovnice, ktorú definuje vzťah (1)

kde

• Q je teplo dodané/odobraté látke (W),
• V – objem látky (m³),
• ρ – hustota látky (kg/m³),
• c – merná tepelná kapacita látky (kJ/(kg . K)),
• Tf – konečná teplota látky (°C),
• Ti – počiatočná teplota látky (°C).

Obr. 3 Princíp akumulácie citeľného tepla / Obr. 4 Princíp akumulácie latentného tepla

K výhodám tohto systému patria najmä nízke investičné náklady, netoxicita látky na akumuláciu tepla a dostupný sortiment zásobníkov na akumuláciu teplej vody. Za negatívum možno považovať fakt, že tepelná kapacita akumulovaného citeľného tepla je limitovaná. Na uskladnenie veľkého množstva energie je teoreticky potrebný veľký objem zásobníka, čo znižuje účinnosť z hľadiska tepelných strát. Rovnako platí, že zvyšovaním teploty látky za účelom uskladnenia väčšieho množstva tepla narastá tepelná strata na rozhraní materiálu s okolitým prostredím, čím sa znižuje účinnosť procesu.

Akumulácia tepla vo forme latentného tepla

Latentné teplo (skupenské teplo) je tepelná energia, ktorá je uvoľnená z látky, resp. je do nej dodaná v procese zmeny skupenstva (kvapalné/tuhé, kvapalné/plynné). Pri tejto forme akumulovanej energie možno dosiahnuť väčšiu tepelnú kapacitu pri menšom objeme a  konštantnej teplote (obr. 4).
Fyzikálnu podstatu akumulácie latentného tepla definuje vzťah (2)

kde

• Q je teplo dodané/odobraté látke (W),
• V – objem látky (m³),
• ρ – hustota látky (kg/m³),
• csp – priemerná merná tepelná kapacita medzi Ti a Tm (kJ/(kg . K)),
• Tm – teplota topenia (°C),
• Ti – počiatočná teplota látky (°C),
• Tf – konečná teplota látky (°C),
• am – množstvo látky, ktoré podlieha skupenskej zmene (kg),
• ∆hm – teplo uvoľnené v procese fúzie (kJ/kg),
• csp – priemerná merná tepelná kapacita medzi Tm a Tf (kJ/(kg .K)).

Tento spôsob akumulácie tepla sa využíva predovšetkým pri aplikáciách dlhodobého uskladnenia tepelnej energie a v procesoch, pri ktorých sa požaduje striktné dodržanie teploty. Akumulácia tepla prostredníctvom latentného tepla má však značnú nevýhodu v nízkej tepelnej vodivosti materiálov (0,2 – 0,7 W/(m . K)). Zvýšenie tepelnej vodivosti, a tým aj zlepšenie celkovej účinnosti, možno dosiahnuť použitím látok s vysokou tepelnou vodivosťou (uhlík, kov), ktoré sú integrované priamo v látke na akumuláciu tepla. Táto metóda využíva napríklad uhlíkové vlákna (tepelná vodivosť 470 W/(m . K)) alebo kovové peny, čím sa tepelná vodivosť zvyšuje o 60 až 150 %. Vo všeobecnosti sa využívajú materiály so zmenou skupenstva, ktoré sú integrované do zásobníkov tepla na zlepšenie celkovej účinnosti. Metóda akumulácie tepla formou latentného tepla je zatiaľ predmetom výskumu za účelom zdokonaliť technológiu na praktické využitie.

Akumulácia tepla vo forme chemickej reakcie

Určité chemické látky dokážu absorbovať/uvoľniť veľké množstvo tepelnej energie počas chemickej reakcie, keď vznikajú, resp. zanikajú chemické väzby. V chémii sa tieto reakcie nazývajú exotermické (uvoľnenie tepla), resp. endotermické (spotreba tepla). Na základe tejto charakteristiky funguje akumulácia tepelnej energie využívajúca chemické reakcie (obr. 5). Na akumuláciu tepla vo forme chemickej reakcie je nevyhnutné využívať látky, ktoré majú dokonalú chemickú reverzibilitu, t. j. schopnosť vrátiť sa do pôvodného stavu, dostatočné reakčné teplo a zároveň jednoduchú chemickú reakciu. Najväčšou výhodou tejto metódy je schopnosť akumulovať veľké množstvo tepelnej energie v relatívne malom objeme látky. Ďalším významným benefitom je takmer nulová tepelná strata vo fáze, keď je tepelná energia viazaná v chemickej väzbe, môže sa teda akumulovať dlhodobo. Akumulácia tepla vo forme chemickej reakcie sa dosiaľ široko nevyužíva vzhľadom na komplikovaný proces chemickej reakcie a dlhodobú stabilitu chemických látok.

Obr. 5 Princíp akumulácie tepla formou chemickej reakcie: A – nabíjanie, B – akumulácia, C – vybíjanie

Materiály na akumuláciu tepla

Pri každom spôsobe akumulácie tepla je vhodné použiť iné materiály z hľadiska ich fyzikálnych a chemických vlastností.Na akumuláciu citeľného tepla sa využívajú predovšetkým voda, oleje (schopnosť akumulovať vyššie teploty) a tuhé látky (kamenivo, betón). Výhodou využitia tuhých látok je eliminácia rizika úniku kvapalnej látky a cenová dostupnosť, na druhej strane je ich tepelná kapacita v porovnaní s kvapalinami výrazne nižšia. Charakteristika najčastejšie používaných látok na akumuláciu citeľného tepla je uvedená v tab. 1.

Akumulácia latentného tepla využíva predovšetkým organické (parafíny, mastné kyseliny) a anorganické látky (anorganické soli). Teplota topenia parafínov je v rozmedzí 12 – 71 °C, anorganických solí v rozmedzí 30 – 120 °C. Nevýhodou organických látok je ich horľavosť a nízka tepelná vodivosť, čo limituje ich využitie [4]. Charakteristika najčastejšie používaných látok na akumuláciu latentného tepla je uvedená v tab. 2. Na akumuláciu tepelnej energie viazanej v chemickej reakcii možno využiť mnohé organické a anorganické látky, ktoré spĺňajú predovšetkým dokonalú reverzibilitu chemickej reakcie [4]. Charakteristika najčastejšie používaných látok na akumuláciu tepla formou chemickej reakcie  je uvedená v tab. 3.

Záver

V súčasnosti existujú mnohé systémy, ktoré využívajú akumulovanú slnečnú energiu. Jej využitie nachádza uplatnenie v aplikáciách vykurovania (ohrev teplej vody, sálavé vykurovanie), ale aj na technologické účely a výrobu elektrickej energie. V praxi je najviac rozšírený ohrev pitnej vody a akumulácia energie vo forme citeľného tepla v zásobníkoch teplej vody. Na potreby vykurovania a sezónnej akumulácie sú však systémy stále limitované z hľadiska účinnosti a finančnej návratnosti. Anorganické soli, ktoré sú schopné akumulovať tepelnú energiu, sa javia ako výhodné riešenie, ich použitie je však obmedzené pre nízku tepelnú vodivosť. Na optimalizáciu tejto metódy je nevyhnutné použiť opatrenia zvyšujúce tepelnú vodivosť, a tým celkovú účinnosť systému akumulácie tepla. V súčasnosti sa akumulácia tepla vo forme skupenského tepla rieši najmä  experimentálne, uvedenie do praxe si bude vyžadovať ďalší výskum. Rovnako aj metóda akumulácie tepla formou chemickej reakcie je v súčasnosti predmetom experimentov a zatiaľ sa javí ako veľmi výhodný proces z hľadiska efektívneho uskladnenia veľkého množstva tepla v malom objeme pri minimálnej tepelnej strate.

Ing. Martin Gašparík
Autor pôsobí na Katedre TZB SvF STU v Bratislave.
Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.

Obrázky: archív autora

Ilustračné foto: Vailant

Literatúra

1. Cabeza, L. F.: Advances in Thermal Energy Storage Systems – Methods and Applications, Elsevier, 2015.
2. Sorensen, B.: Solar Energy Storage, Elsevier, 2015.
3. Smil, V.: General energetics: energy in the biosphere and civilization. 1st edition New York: John Wiley & Sons: 1991.
4. Tian, Y. – Zhao, C. Y.: A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications, Applied Energy 104, 2013.
5. De Gracia, A. – Cabeza, L. F.: Phase change materials and thermal energy storage for building, Energy Buildings, 2015.
6. Zhou, Z. – Zhang, Z. –  Zuo, J. – Huang, K. – Zhang, L.: Phase change materials for solar thermal energy storage in residential buildings in cold climate, Renewable and Sustainable Energy Reviews 48, 2015.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.