Termisk lagringsteknologi

Termisk energi, som en af ​​de vigtigste energikilder, der bruges af menneskeheden, er hovedsageligt klassificeret i tre kategorier baseret på dets arbejdsprincipper: fornuftig termisk lagring, latent termisk (faseændring) termisk lagring og termokemisk termisk lagring. Det tegner sig for 40 % til 50 % af det endelige energiforbrug, og dets applikationer spænder meget-. I det nuværende energiudviklings- og udnyttelsessystem involverer næsten alle energiomdannelsesprocesser termisk energi. På grund af det uundgåelige energitab under energiomdannelsen anvendes termisk lagringsteknologi sjældent direkte til lagring af elektrisk energi (dvs. situationer, hvor både input og output er elektrisk energi). I stedet bruges det oftere som et led i energikonverteringskæden eller blot anvendt til termiske systemer.

Fornuftig varmelagring

Fornuftig varmelagringsteknologi er en metode til at lagre og frigive varme ved at udnytte ændringer i temperaturen af ​​et stof. Dens arbejdsmekanisme er relativt enkel: varmelagring eller frigivelse opnås ved at opvarme eller afkøle mediet. Under denne proces gennemgår mediet ikke kemisk transformation eller faseændring, hvilket gør hele systemet let at kontrollere og fungere stabilt. Desuden er der mange typer af sådanne varmelagringsmaterialer tilgængelige til lave omkostninger, hvilket gør dem velegnede til store-applikationer. Denne teknologi er ikke kun meget moden, men demonstrerer også et bredt anvendelsespotentiale på flere områder. Men fornuftig varmelagring står også over for nogle udfordringer, såsom lav energitæthed, stor udstyrsstørrelse, betydeligt varmetab under langtidslagring og ustabil udgangstemperatur. Fornuftige varmelagringsmedier kan bredt klassificeres i to kategorier: flydende og fast. Almindelige flydende varmelagringsmaterialer omfatter vand, termisk olie, smeltet salt og flydende metal. Blandt disse er vand, på grund af dets gode sikkerhed og stabilitet, og det faktum, at dets varmelagringstemperatur typisk ikke overstiger 100 grader, meget udbredt i solvarmeanlæg og rumopvarmning. Termiske olier er med deres fremragende termiske ledningsevne og brede driftstemperaturområde blevet brugt i tidlige applikationer til lagring af termisk energi ved mellem-- og{13}}høje temperaturer; deres høje omkostninger, brændbarhed og de potentielle høje-trykrisici i lukkede-sløjfesystemer har dog ført til, at de gradvist erstattes af andre overlegne muligheder. I modsætning hertil klarer smeltede salte sig med deres lave mættede damptryk, lave viskositet, høje termiske ledningsevne, ikke-antændelighed og ikke-toksicitet godt ved temperaturer, der svarer til almindelige dampparametre og er relativt billige, hvilket gør dem betragtet som et ideelt valg til termoelektrisk solkonvertering. Ved ekstremt høje omgivelsestemperaturer kan smeltede salte dog korrodere rørledninger og relateret udstyr, hvilket nødvendiggør yderligere forskning og forbedring af deres kompatibilitet og varmebestandighed med rustfrit stål. Flydende metaller betragtes på grund af deres ekstremt høje termiske ledningsevne som en potentiel varmelagringsløsning med høj-temperatur (over 600 grader). på grund af deres meget reaktive kemiske egenskaber er der imidlertid behov for yderligere sikkerhedsforanstaltninger for at sikre normal systemdrift, og deres høje omkostninger holder dem i de tidlige stadier af efterforskningen.

Almindelige solide termiske lagringsmaterialer omfatter beton, sten og ildfaste mursten. Sammenlignet med flydende termiske lagringsmaterialer kan faste termiske lagringsmaterialer fungere ved højere temperaturer og opbevare mere varme i det samme rum, hvilket betyder en reduktion i mængden af ​​krævet materiale og et fald i de samlede omkostninger.

Latent varme (faseændring) termisk lagring

Faseændring termisk energilagringsteknologi er primært afhængig af latent varme som dens vigtigste form for energilagring. Denne teknologi udnytter absorption eller frigivelse af store mængder latent varme under faseovergange til at lagre varme. Under denne proces forbliver materialets temperatur næsten konstant. Denne termiske energilagringsteknologi har betydelige fordele såsom høj energitæthed og lille volumen.

Den proces, hvorved stof transformerer fra en tilstand til en anden, kaldes en faseovergang. Typisk sker denne overgang under isotermiske eller nær-isotermiske forhold og er ledsaget af en betydelig energiændring-absorption eller frigivelse af en stor mængde varme. Denne energi er defineret som den latente faseovergangsvarme. Især den latente varme, der er involveret i faseovergangen af ​​de fleste materialer, er meget større end den for sanselig varme. For eksempel har vand en specifik varmekapacitet på ca. 4,2 kJ/kg·grad, og under overgangen fra fast til flydende tilstand (is, der smelter til vand), kan vand absorbere 355 kJ/kg energi som latent faseovergangsvarme. Derfor er udnyttelse af den latente faseovergangsvarme med hensyn til energitæthed væsentligt bedre end metoder, der udelukkende er afhængige af fornuftig varme.

Faseovergange af stof omfatter hovedsageligt fire typer: fast-fast, fast-flydende, fast-gas og flydende-gas. Selvom overgange til fast-gas og flydende-gas har høje latente varmeværdier, øger de betydelige volumenændringer i disse tilfælde vanskeligheden ved praktisk drift, hvilket begrænser deres anvendelse. I modsætning hertil udviser faste-fastfaseovergange, som opstår, når et fast materiale omdannes fra en krystallinsk tilstand til en anden, mindre volumenændringer og lavere underafkøling, men den varme, der frigives eller absorberes, er generelt lavere end de andre faseovergangsprocesser. I faste-flydende faseovergange ændres stof fra en fast til en flydende tilstand. Selvom denne proces kræver en specifik beholder til at indeholde væsken, er volumenændringen meget mindre end i fast-gas- og flydende-gasfaseovergange, og den involverede latente varme er betydeligt højere end i fast-fastfaseovergange. I betragtning af disse egenskaber betragtes faste-væskefaseovergange i øjeblikket som den mest praktiske og bredt anvendelige termiske lagringsmetode for faseskift.

I øjeblikket er der mange typer materialer, der anvendes i faseændrings termisk lagringsteknologi, hovedsageligt opdelt i to kategorier baseret på deres kemiske sammensætning: organisk og uorganisk. Organiske faseændringsmaterialer omfatter hovedsageligt stoffer såsom paraffinvoks, alkoholer og fedtsyrer; mens uorganiske faseændringsmaterialer er repræsenteret af krystallinske hydratiserede salte, smeltede salte og metaller eller deres legeringer. Generelt er organiske faseændringsmaterialer mere egnede til termisk energilagring i lav- til mellemtemperaturområdet, mens uorganiske faseændringsmaterialer udviser bedre termisk energilagringsydelse under middel til høj temperatur.

Termokemisk termisk opbevaring

Termokemisk termisk energilagringsteknologi kan prale af ekstrem høj energitæthed pr. volumenenhed, der når størrelsesordenen GJ/m³. Til sammenligning er energitætheden af ​​fornuftige varmelagringsmaterialer kun omkring en-tiendedel, og den for latente varmelagringsmaterialer er kun halvdelen. Ved at adskille reaktanterne kan denne teknologi ydermere opnå nul-tab af termisk energilagring ved stuetemperatur, og dermed betragtes den bredt som en af ​​de mest lovende teknologier til stor-skala og lang-termisk energilagring. Baseret på de forskellige kemiske bindingsændringer involveret i energilagringsprocessen, kan termokemisk termisk energilagring yderligere opdeles i to hovedkategorier: kemisorption termisk energilagring og kemisk reaktion termisk energilagring.

Chemisorption termisk opbevaring er særligt velegnet til applikationer i lav-temperaturmiljøer. Den er afhængig af dannelsen og nedbrydningen af ​​fysiske eller kemiske intermolekylære kræfter (såsom van der Waals-kræfter, elektrostatiske kræfter og hydrogenbindinger) mellem faste adsorbenter og gasformige adsorbater for at opnå varmelagring og frigivelse. Denne teknologi omfatter hovedsageligt to kategorier af systemer: det ene er et hydreret saltsystem, der bruger vanddamp som adsorbat; den anden er et ammoniakkomplekssystem, der bruger ammoniakmolekyler som adsorbat. Tabel 1-2 viser de specifikke typer, varmelagrings-/frigivelsestemperaturer og energilagringstætheder for flere almindeligt anvendte kemisorptions termiske lagringsmaterialer.

Tabel 1-2 Egenskaber for almindeligt anvendte kemiske adsorptions termiske opbevaringsmaterialer:

Opbevaring af termisk energi ved kemisk reaktion anvendes hovedsageligt under middel-- og høje-temperaturforhold, og dets systemer er forskellige, herunder methanreformering, ammoniaksyntese og -nedbrydning, metalhydrider, carbonater, metaloxider og metalhydroxider. Disse metoder opnår lagring og frigivelse af termisk energi gennem brydning og rekombination af kemiske bindinger. Denne type energilagring har store reaktionsværdier, høj energitæthed og et bredt driftstemperaturområde. Men i praktiske applikationer er der stadig udfordringer, herunder omkostningskontrol, materialekorrosion og gaslagring. Derfor er det nødvendigt at udføre-dybdegående forskning i de relevante reaktionsmekanismer og optimere procesflowet for at forbedre den samlede ydeevne.

Termokemiske termiske energilagringssystemer har komplekse strukturer og talrige hjælpeanordninger, hvilket resulterer i høje initiale investeringsomkostninger. I øjeblikket er deres ultra-høje energitæthed pr. volumenenhed ikke blevet udnyttet fuldt ud. På grund af kompleksiteten af ​​de involverede kemiske reaktionsmekanismer er præcis kontrol af reaktionshastigheder udfordrende, og nogle reaktionsprocesser har strenge sikkerhedskrav, hvilket yderligere forbedrer den samlede systemeffektivitet. Derfor er der behov for yderligere-dybdegående forskning i termokemisk termisk energilagringsteknologi for at løse disse problemer.