Magazynowanie energii cieplnej w gaczu parafinowym (cz. 1)

Problem energii i jej źródeł ma zasadnicze znaczenie dla rozwoju ludzkości. Wzrost zaludnienia i coraz bardziej konsumpcyjny charakter życia oraz gwałtowny rozwój techniczny wymuszają ciągły wzrost zapotrzebowania na energię. Ok. 80% zasobów energetycznych używanych obecnie to nieodnawialne źródła energii, czyli węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny i uran.

Całkowite zasoby paliw naturalnych, zarówno znanych, jak i tych, które zostaną odkryte w przyszłości, wystarczą w przypadku węgla, ropy i gazu na odpowiednio 200, 100 i 150 lat. Te oszacowania wykonano przy założeniu, że wydobycie kopalin naturalnych nie wzrośnie. Jednak wzrost zużycia tych paliw już o 2%, co wydaje się bardzo ostrożnym założeniem, skraca czas ich wyczerpania się do odpowiednio 150, 55 i 70 lat [1, 2]. Wpływa to na konieczność szukania odnawialnych źródeł energii, których zasoby są teoretycznie niewyczerpalne.

Jednym z takich źródeł jest energia słoneczna, której ilość docierająca do powierzchni Ziemi powinna teoretycznie wystarczyć do pokrycia zapotrzebowania na energię wszystkich jej mieszkańców. Wykorzystywanie tej energii nie wiąże się z ingerencją w środowisko naturalne, gdyż jej pozyskanie nie jest związane z żadnymi odpadami, jednak energia słoneczna nie nadaje się do bezpośredniego wykorzystania ze względu na cykliczność i małą gęstość. Konieczna jest więc konwersja energii słonecznej w inne bardziej użyteczne jej formy i ich magazynowanie.

Najtaniej i najdogodniej magazynuje się energię cieplną i chemiczną. Jednak ze względu na niską sprawność konwersji energii słonecznej, w przypadku biomasy poniżej 2%, preferowane jest magazynowanie energii cieplnej. Sposobów magazynowania energii cieplnej jest bardzo dużo, jednak większość metod opiera się na magazynowaniu energii wysokotemperaturowej wykorzystującej ciepło właściwe cieczy lub ciał stałych, ciepło przemian fazowych i ciepło krystalizacji.

Magazynowanie energii

Magazynowanie jest konieczne, gdy istnieje różnica między zapotrzebowaniem na energię i jej dostarczaniem. Dotyczy to następujących przypadków:

• stałe dostawy energii i wyraźny, w krótkim czasie, szczyt zapotrzebowania na nią (np. elektrownie wodne lub tradycyjny system energetyczny – indywidualni odbiorcy energii elektrycznej),
• zmienne dostawy energii i zmienne zapotrzebowanie na nią (np. energia słoneczna z kolektorów – odbiorcy energii cieplnej),
• zmienne w czasie dostawy energii i zmienne zapotrzebowanie na nią, ale z godzinowym przesunięciem czasowym (np. kolektory słoneczne – ogrzewanie ciepłej wody użytkowej),
• zmienne w czasie dostawy energii i zapotrzebowanie na nią, ale z sezonowym przesunięciem czasowym (np. kolektory słoneczne – zimowe ogrzewanie pomieszczeń).

Energię można magazynować również wtedy, gdy istnieją znaczne ilości energii odpadowej (straty do otoczenia), którą można wykorzystać w innym czasie lub przez innego odbiorcę, a także gdy przesyłanie jej na duże odległości jest ekonomicznienieopłacalne.

Ilość możliwej do zmagazynowania energii zależy od pojemności magazynu oraz ilości energii, którą można zmagazynować w jednostce masy lub objętości materiału. Większa gęstość magazynowania energii powoduje obniżenie kosztów dzięki mniejszemu rozmiarowi magazynu i zmniejszeniu ilości materiału magazynującego. Czas jest również ważnym parametrem. Magazynowanie energii możemy podzielić na krótkoterminowe (godziny, doby, dni) i długoterminowe (miesiące, sezony, lata).

Przyjęto podział energii na: mechaniczną, elektromagnetyczną, elektryczną, cieplną, chemiczną i jądrową. Każdy z tych rodzajów może ulegać konwersji, ale nie wszystkie są jednakowo użyteczne. Energia mechaniczna, elektryczna, magnetyczna lub chemiczna (paliwa kopalniane) może być z łatwością przetwarzana w inny jej rodzaj, podczas gdy konwersja energii cieplnej jest ograniczona sprawnością obiegu Carnota. Energia może być magazynowana w każdej z wymienionych postaci, ale trzeba pamiętać o dobraniu magazynu tak, by podczas tego procesu nie występowała konwersja energii z jej postaci o wyższej użyteczności do niższej i aby nie traciła ona swojej egzergii [3, 4, 5, 6]. Podstawowe sposoby magazynowania różnych rodzajów energii przedstawiono w tabeli 1.

Magazynowanie energii cieplnej

Magazynowanie energii cieplnej jest najczęściej uzasadnione wtedy, gdy nie jest konieczna jej konwersja w inną postać. Do wyprodukowania jednostki kWh energii mechanicznej czy elektrycznej potrzeba wiele jednostek kWh zmagazynowanejenergii cieplnej. Stąd oprócz sprawności konwersji energii należy również uwzględnić sprawność jej magazynowania, co może wykazać nieopłacalność przedsięwzięcia.

Energię cieplną magazynuje się również wtedy, gdy w pobliżu jej występowania nie ma potencjalnych odbiorców, gdyż transport energii cieplnej na dalsze odległości, nawet w preizolowanych rurach, jest zbyt drogi.

Energia cieplna może być zmagazynowana przy wykorzystaniu:

• ciepła właściwego cieczy i ciał stałych (zmiana pojemności cieplnej i temperatury czynnika magazynującego, np. złoża naturalne i sztuczne, zbiorniki wodne, formacje wodonośne itp.),
• ciepła przemian fazowych (temperatura czynnika magazynującego prawie stała, np. hydraty soli, substancje organiczne, eutektyki i mieszaniny, lód),
• odwracalności reakcji chemicznych i produkcji paliw.

Magazynowanie energii cieplnej jest stosowane dla szerokiego zakresu temperatur i pojemności cieplnych. W wielu opracowaniach magazynowanie to dzielone jest na trzy grupy: magazynowanie niskotemperaturowe: 100¸120°C, średniotemperaturowe: 120¸500°C i wysokotemperaturowe: powyżej 500°C. Na rysunku 1. przedstawiono zakresy temperatur różnych materiałów, które mogą być wykorzystane jako czynniki robocze w magazynach energii cieplnej, a w tabeli 2. zakresy temperatur magazynowanej energii oraz różne rodzaje jej zastosowań.

Na podstawie analizy istniejących i projektowanych układów do magazynowania energii cieplnej można stwierdzić, że do ogrzewania domków jednorodzinnych zależnie od ich kubatury i sposobu wykonania niezbędna jest pojemność od 360 do 1200 MJ, dla pomieszczeń hodowlanych 500¸3000 MJ, do ogrzewania pomieszczeń biurowych i kompleksów sklepów (dla osiedli) brane są pod uwagę pojemności 36 000¸360 000 MJ, a do celów przemysłowych powyżej 200 MJ.

Kryteria doboru materiałów do magazynowania energii cieplnej

Przy doborze czynnika magazynującego ciepło należy kierować się czterema podstawowymi kryteriami: termodynamicznym, kinetycznym, chemicznym i ekonomicznym. Każde z tych kryteriów może być określone bardziej szczegółowo dla wybranego sposobu magazynowania. Najważniejsze cechy, którymi powinien się charakteryzować materiał do magazynowania energii cieplnej:

• możliwie duże: pojemność cieplna, ciepło właściwe, ciepło przemiany fazowej i gęstość,
• punkt topnienia przemiany fazowej lub chemicznej powinien znajdować się powyżej temperatury ochładzania złoża i poniżej temperatury czynnika dostarczającego energię,
• materiał nie powinien ulegać przechłodzeniu i przegrzaniu (muszą być zapewnione punkty nukleacji przez odpowiednie dodatki),
• pojemność cieplna powinna być stała w kolejnych cyklach grzania i chłodzenia, bez histerezy termicznej,
• przemiana fazowa przebiegająca kongruentnie (ciecz i ciało stałe mają ten sam skład) i w sposób całkowity, w przeciwnym razie może nastąpić segregacja, a więc i zmiana składu chemicznego materiału,
• dobra przewodność cieplna obydwu faz w przypadku przemiany fazowej,
• możliwie mała rozszerzalność cieplna i jak najmniejsze zmiany objętości w trakcie przemiany fazowej, w przeciwnym razie może to spowodować utrudnienie rozwiązań konstrukcyjnych,
• stabilny skład chemiczny i struktura, tak aby kolejne cykle grzania i chłodzenia nie powodowały segregacji i rozkładu chemicznego (utlenienia, hydrolizy, uwodnienia itd.) – jest to szczególnie istotne w podwyższonych temperaturach (a więc w stanie ciekłym) ze względu na możliwość dyfuzji atomów, a także zachodzenia nieprzewidzianych reakcji chemicznych,
• niska prężność pary w celu obniżenia kosztów zasobnika,
• brak reakcji z materiałem zbiornika lub wymiennikiem,
• materiał nie powinien być niebezpieczny (trujący, toksyczny, łatwopalny), ponieważ zawsze należy przewidywać możliwość jego wycieku ze zbiornika, powinien być za to tani i łatwo dostępny.

Dla każdego ze sposobów magazynowania energii niezbędna jest znajomość wymienionych powyżej właściwości cieplno-fizycznych i ich stabilności w czasie.

Gacz parafinowy

Gacz parafinowy, z którego wytwarza się parafinę, a następnie świece, jest jednym z produktów pośrednich destylacji ropy naftowej. Ze względu na ograniczone zapotrzebowanie i trudności ze zbytem musi być on dalej przetwarzany, co wymaga dodatkowych nakładów i zwiększa koszty technologiczne w przemyśle rafineryjno-petrochemicznym. Wstępne rozpoznanie wskazuje, że materiał ten ma większość cech dobrego czynnika do magazynowania energii cieplnej: jest neutralny korozyjnie, nietoksyczny, trwały chemicznie i tani [7, 8].

Gacz parafinowy jest mieszaniną węglowodorów alifatycznych (liniowych) o zróżnicowanym składzie. W literaturze fachowej podawane są własności termodynamiczne poszczególnych jego składników, a nie ich mieszaniny, która może mieć dowolny skład. W tej sytuacji przydatność gaczu parafinowego jako czynnika magazynu ciepła można było zweryfikować jedynie eksperymentalnie. Do badań wybrano lekki gacz parafinowy o zaolejeniu do 4% z Rafinerii Gdańskiej S.A.

Wyznaczanie własności gaczuWłasności fizyczne gaczu przeznaczonego do badań nad określeniem jego przydatności jako materiału magazynującego ciepło przedstawiono w tabeli 3.

Badania własności termodynamicznych gaczu przeprowadzono w różnicowym kalorymetrze skaningowym DSC 7 firmy Perkin Elmer. Zakres temperatur pomiaru, czyli 30-70°C, dobrano tak, aby nie doszło do zmian fizycznych i chemicznych gaczu i by pokrywał on zakres pracy magazynu ciepła. Szybkość ogrzewania wynosiła 10 K/min. W wyniku pomiaru bezpośrednio wyznaczono temperatury topnienia i krystalizacji gaczu, a jego ciepło właściwe pośrednio, z analizy otrzymanych termogramów.

Przykładowy termogram przedstawiono na rys. 2 [9]. Otrzymane krzywe to termogramy topnienia i krystalizacji. Na obu widoczne są dwa oddzielne piki, które świadczą o występowaniu dwóch różnych faz krystalicznych. Te różne fazy wynikają z innego (pod względem długości łańcucha węglowego) składu parafiny.

Analizując krzywą topnienia, widzimy, że pierwsza faza krystaliczna topi się w przedziale temperatur 12,7¸40,6°C (285,7¸313,6 K), a druga w przedziale 40,6¸60°C (313,6¸333 K). Całkowite stopienie gaczu obserwujemy już w temperaturze 49,7°C (322,7 K). Z kolei pierwsza faza krystalizuje w przedziale temperatur 45,1¸23,5°C (318,1¸296,5 K), a druga w przedziale 23,5¸2,6°C (296,5¸276,1 K). Pojawienie się fazy stałej obserwujemy w temperaturze 38,7°C (311,7 K).

Zmiana stanu skupienia z ciekłego na stały uwalnia tę samą ilość energii, jaka została zaabsorbowana podczas procesu topnienia, tj. 188 kJ/kg. Pomiar ciepła właściwego wykazał, że w fazie stałej wynosi ono dla gaczu 1,8 kJ/(kg K), natomiast w fazie ciekłej 2,18 kJ/(kg K). Zmiana entalpii w zakresie 12,7¸60°C (285,7¸333 K) wynosi aż 188 kJ/kg, jest to efekt przemiany fazowej. Na rysunku 3. porównano, w tym samym zakresie temperatur ΔT = 15 K, pojemności cieplne różnych ogrzewanych materiałów z topniejącym gaczem. W pracy [17] zamiast gaczu porównano parafinę o pojemności cieplnej ok. 240 kJ/kg.

Badania eksperymentalne magazynu ciepła

Badania eksploatacyjne gaczu parafinowego przeprowadzono metodą porównawczą w tym samym zasobniku ciepła, w którym materiałem magazynującym ciepło były naprzemiennie woda lub gacz. W ten sposób wyeliminowano wpływ konstrukcji samego magazynu na przebieg zjawiska. Jako źródło ciepła wykorzystano kolektor słoneczny KS 1500.

Stanowisko badawcze

Stanowisko pomiarowe składało się z kolektora słonecznego, zasobnika ciepła z gaczem, wymiennika powietrznego (konwektora) do rozładowania magazynu, termostatu i układu pomiarowego oraz instalacji hydraulicznej.

W skład instalacji eksperymentalnej wchodziła również pompa cyrkulująca UPS 2540, zawór dławicowy regulujący natężenie przepływu oraz przepływomierz. Pompa obiegowa zasilana była z sieci elektrycznej poprzez blok regulacyjny. Wymuszała ona przepływ cyrkulacyjny wody w instalacji, dzięki czemu uzyskano możliwość zainstalowania odbiornika – magazynu ciepła poniżej kolektora. Zainstalowanie przepływomierza na głównym rurociągu umożliwiało odczyt natężenia przepływu czynnika grzejnego i określenie strumieni ciepła.

Budowa magazynu ciepła

Skonstruowano magazyn ciepła bez konieczności przepływu czynnika roboczego przez układ wężownic. Miało to na celu wyeliminowanie dużych oporów jego przepływu oraz przestrzeni „martwych" w gaczu parafinowym, w których nie ulegałby on przemianie fazowej. Stały gacz nie jest dobrym przewodnikiem ciepła i dlatego powierzchnia wymiany powinna być maksymalnie duża. Taką możliwość stwarza konstrukcja analogiczna do płytowego wymiennika ciepła, ale bez płyt. Przepływ czynnika roboczego, który z dwóch stron opływałby gacz parafinowy i na maksymalnie dużej powierzchni wymieniał z nim ciepło, zapewniło rozwiązanie przedstawione na rys. 4.

Magazyn ciepła składał się z przezroczystego, wykonanego z polimetakrylanu metylu (pleksiglasu) zbiornika o pojemności 0,141 m³. Dzięki temu możliwa była wizualizacja przepływu czynnika roboczego i zachowania się gaczu podczas przemiany fazowej. W celu ograniczenia strat ciepła zbiornik zaizolowano warstwą styropianu grubości 20 cm.

Gacz parafinowy, lżejszy od wody, umieszczony w odwróconych do góry dnem tackach nie mógł z nich wypłynąć, nawet po roztopieniu, ze względu na obwodowy rant, który miała każda z tacek (ich rozmieszczenie przedstawiono na rys. 4). Zapewniało to wymianę ciepła od gorącego czynnika roboczego obmywającego tacki od góry poprzez ich dno do gaczu oraz w trakcie przepływu wody pod tacką w bezpośrednim jej kontakcie z gaczem, z którym się nie mieszała.

Energia cieplna dostarczona przez medium grzewcze do gaczu składała się z trzech strumieni Q = Q₁ + Q₂ + Q₃. Q₁ to ciepło ogrzania stałego gaczu do temperatury jego topnienia, Q₂ to ciepło przemiany fazowej, a Q₃ – ciepło ogrzewania ciekłego gaczu.

Układ pomiarowy

Układ pomiarowy stanowiska składał się z instalacji: elektronicznej, elektrycznej i kontrolno-pomiarowej. Instalację elektroniczną stanowił sterownik elektryczny różnicowy G–41–01 z dwiema sondami pomiaru temperatury – na wlocie i wylocie z kolektora – oraz układ termopar sprzęgniętych z komputerem rejestrującym rozkład 32 temperatur w zbiorniku. Regulator różnicowy przeznaczony był do sterowania pracą silnika pompy oraz stabilizacji temperatury w stanowisku doświadczalnym.

Układ termopar umożliwiał odczyt rozkładu temperatur w zbiorniku. Całość połączona była poprzez multiplekser z komputerem, który dzięki specjalnie napisanemu programowi umożliwiał dokładny odczyt i rejestrację zmian temperatury i sporządzał akwizycje danych. Dokładność odczytu temperatury przez 32 termopary umieszczone w różnych miejscach magazynu ciepła (ścianki boczne, dna tacek, wewnątrz gaczu, w przepływającym medium) obrazuje rys. 5. W trakcie kalibracji termopar i magazynu ciepła czynnik roboczy, pobierany z termostatu o temperaturze 58,2°C, spełniał funkcję czynnika termostatującego.

W skład układu pomiarowego wchodził również wspomniany wcześniej przepływomierz elektroniczny połączony poprzez multiplekser z komputerem.

Procedura eksperymentu

W trakcie pomiarów z wykorzystaniem kolektora słonecznego okazało się, że zmienne warunki pogodowe i zbyt duże zachmurzenie nie pozwalają na badania porównawcze pracy magazynu ciepła wypełnionego samą wodą i topiącym się gaczem parafinowym z przemianą fazową. Ponieważ nie dysponowano symulatorem światła słonecznego o mocy odpowiadającej zainstalowanemu kolektorowi, postanowiono jego pracę wspomagać dogrzewaniem czynnika roboczego dodatkową grzałką elektryczną o mocy 1,7 kW. Należy przypomnieć, że celem badań nie był kolektor, lecz magazyn ciepła.

Po zweryfikowaniu poprawności tej koncepcji i jej przetestowaniu można było kolektor słoneczny całkowicie wyeliminować, a jego pracę zasymulowano dogrzewaniem czynnika w termostacie, sterowanym programowo w oparciu o idealne charakterystyki nasłonecznienia typowe dla danych pór roku. Wartości nasłonecznienia przeliczane były na moc grzałki przy następujących założeniach: stałe wartości nasłonecznienia N = 900, 1000, 1100 i 1200 W/m², sprawność kolektora słonecznego h = 80%, powierzchnia absorpcyjna F = 1,5 m².

Przykładowa symulacja potrzebna do napisania programu sterującego pracą termostatu, opracowana dla okresu wiosna–jesień została przedstawiona na rys. 6. Wyeliminowanie kolektora pozwoliło uniezależnić badania od pór roku i zmiennych warunków pogodowych i prowadzić je w laboratorium. Dokładność i powtarzalność otrzymanych wyników okazała się wyższa, niż gdyby zastosowano symulator promieniowania słonecznego. Charakterystyka długości promieniowania takiego symulatora jest tylko imitacją światła słonecznego i dodatkowo zmienia się wraz ze zmianą natężenia promieniowania. Tych wad nie ma symulator pracy kolektora.

Rozładowywanie magazynu ciepła odbywało się przez przestawienie elektromagnetycznych zaworów i skierowanie czynnika roboczego zamiast do podgrzewającego go termostatu do konwertorowego wymiennika ciepła, skąd ciepło oddawane było do powietrza w laboratorium. Po rozładowaniu magazynu automatycznie następowało ponowne przestawienie zaworów i ładowanie go ciepłem ogrzanego w termostacie czynnika.

Ciąg dalszy w nr. 5/2010

Literatura

1. Energy 2000. A Plan of Action for Sustainable Development, Danish Ministry of Energy, April 1990.
2. Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT, Warszawa 2006.
3. Domański R., Jaworski M., Rebow M., Badanie procesów magazynowania energii w przemianach fazowych, Konferencja naukowa „Problemy badawcze energetyki cieplnej", Warszawa 1993.
4. Domański R., Magazynowanie energii cieplnej, PWN, Warszawa 1990.
5. Schmidt F.W., Willmott A.J., Thermal Energy Storage and Regeneration, Hemisphere Publishing Co., 1981.
6. Veziroglu T.N., Energy Conservation, Management, Alternative energy sources IV, edited by T. Nejat Veziroglu Ann Arbor Science, Ann Arbor 1982.
7. Świadectwo jakości gaczu parafinowego lekkiego z Rafinerii Gdańskiej S.A., ze zbiornika 20S118, z numeru próby 725, Gdańsk 1999.
8. Karta charakterystyki gaczu parafinowego GL 16, Grupa Lotos, 2009, www.lotos.pl/pobierz_plik/29289.
9. Gacz parafinowy, „Bezpieczeństwo Pracy" nr 6/2003, www.ciop.pl/6928.
10. Narucki W., Konwersja energii słonecznej i jej magazynowanie, praca magisterska, promotor W.M. Lewandowski, Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1999.
11. Thoene J., Solarhaus III, Ebnat-Kappel (Schweiz) 2000, http://www4.architektur.tu-darmstadt.de/powerhouse/db/248,id_179,s_Projects.fb15.
12. BASF, Micronal® PCM, Intelligent Temperature Management for Buildings, ww.micronal.de.
13. Materiały zmieniające fazę – inteligentna regulacja temperatury, „Wiedza i Życie" nr 9/2007.
14. Technologie PCM, Micronal PCM, Velutherm, 2009, http://www.velutherm.cz/pl/pcm.php.
15. Zhou G., Yinping Zhang Y., Wang X., Lin K., Xiao W., An assessment of mixed type PCM-gypsum and shapestabilized PCM plates in a building for passive solar heating, Solar Energy No. 81/2007.
16. Wnuk R., Bilans energetyczny pomieszczenia ze strukturalnym, funkcjonującym w cyklu dobowym, magazynem ciepła z materiałem fazowo-zmiennym, „Budownictwo – Czasopismo Techniczne Politechniki Krakowskiej"nr 5/2009.
17. Farid M., Mecaial N., Use of Phase Change Materials for Thermal Comfort and Electrical Energy Peak Load Shifting, U21 International Conference on Energy Technologies and Policy, September 2008, Birmingham, UK.
18. Khudhair A., Farid M.M., Chen J.J., Hamadi N., Distributed thermal storage in full size office buildings using phase change materials (PCM)-Plasterboards, 5th Pacific-Asia Rim Thermal Science and Engineering Workshop (PaRSTEE2005), April 2005, Auckland, New Zealand, http://www.ecm.auckland.ac.nz/conf/partsee5/Session%206/MFarid%20PCM.pdf.
19. Kosieradzki J., Magazynowanie energii słonecznej, „Rynek Instalacyjny" nr 1–2/2010.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!