Thermische energieopslag
-
Lucas
Ik heb zitten denken Lisa, we verspillen toch heel veel warmte die als nevenproduct wordt gevormd bij energie omzettingen, zouden we die warmte niet kunnen opslaan om hier later iets mee te gaan doen?
-
Lisa
Dat is inderdaad zo: veel industriële processen, datacenters, de zon en de aarde zijn goede thermische bronnen.
Er bestaan intussen verschillende thermische energieopslagsystemen die ons toelaten om energie op te slaan in de vorm van warmte en die later te gebruiken voor verwarmings-, koelings- of energieopwekkingsdoeleinden.
In deze submodule behandelen we volgende onderwerpen:
- Voelbare warmte
=> Warmte wordt opgeslagen of vrijgegeven door het verwarmen of koelen van een materiaal zonder faseverandering,
zoals water, beton of thermische zouten.
- Latente warmte
=> Warmte wordt opgeslagen of vrijgegeven tijdens het smelten of stollen van een materiaal met een hoge latente warmtecapaciteit.
- Thermochemische opslag
=> Warmte wordt opgeslagen in chemische reacties die warmte absorberen of afgeven.
- Toepassingen per sector
Voelbare warmte
=> Warmte wordt opgeslagen of vrijgegeven door het verwarmen of koelen van een materiaal zonder faseverandering,
zoals water, beton of thermische zouten.
Thermische energie E
“Thermische energie Q, die kan worden opgeslagen in een materiaal ten gevolge van een
temperatuurverschil ΔT
wordt beschreven door:
Waarbij:
- Q = de thermische energie
- m = de massa van het materiaal
- c = de specifieke warmtecapaciteit van het materiaal
- ΔT = het temperatuurverschil
- niet zo duur
- in grote hoeveelheden aanwezig
- hoge warmtecapaciteit (4.186 kJ/kg)
In de residentiële sector en bij lage temperaturen
- Opslag van warmte in warmwatertanks en buizensystemen
Bij hogere temperaturen
- opslaan onder hoge druk om het vloeibaar te houden
- als stoom stockeren
Water kan ook ondergronds gestockeerd worden:
- als warmtereservoirs in grote ondergrondse
watertanks (BTES= Borehole Thermal storage)
- in natuurlijke waterlagen (ATES= Aquifer Thermal storage)
Voor industriële toepassingen
, waar soms hogere werktemperaturen nodig zijn, kunnen andere vloeistoffen
worden gebruikt waarvan:
- het kookpunt hoger ligt;
- geen bewaring onder hoge druk nodig is.
Afhankelijk van de nodige temperatuur kan men bij hogere temperaturen volgende keuzes maken:
- thermische olie (maar: afgeleid van fossiele brandstoffen!) met warmtecapaciteit van 1.5 tot 2.5 kJ/kgK
- gesmolten zouten
- gesmolten metalen
Ook sommige vaste stoffen hebben een goede warmtecapaciteit om als warmte opslag te dienen.
Accumulatie kachels werken op deze manier, al zijn ze niet erg efficiënt.
Voor een efficiënte energieopslag is het belangrijk om thermische verliezen in de container te minimaliseren door:
- door de verhouding volume/oppervlakte te maximaliseren;
- en de best mogelijke isolatie te gebruiken.
Opdracht 1
Maak in Excel een grafiek van hoeveel thermische energie Q (kWh) een boiler van 300L kan opvangen
in functie van het temperatuursverschil vóór en na het opwarmen van het water.
Gebruik hierbij de formule voor voelbare warmte.
Tips:
- Zet het volume water in de boiler om in massa.
- Zet de thermische energie van Joule om naar kWh.
- De soortelijke warmtecapaciteit van water bedraagt 4.186 J/kg°C.
Je kan dit voorbeeld-exceldocument gebruiken.
Latente warmte
=> Warmte wordt opgeslagen of vrijgegeven tijdens het smelten of stollen van een materiaal met een hoge latente warmtecapaciteit.
We kunnen ook materialen warmte laten opnemen of afgeven, zonder veel van temperatuur te laten veranderen. Dit gebeurt bij faseveranderingen.
We kunnen een teveel aan thermische energie in een materiaal stockeren door het op de juiste temperatuur van een vaste in een vloeibare toestand te laten overgaan: m.a.w. te laten smelten.
Omgekeerd kunnen we de opgeslagen thermische energie opnieuw uit het materiaal halen door de vloeistof opnieuw te laten stollen naar vaste toestand en de vrijgekomen warmte opnieuw te kunnen gebruiken.
Thermische energie E
“De thermische energie E die door faseovergang opgeslagen kan worden is afhankelijk van de massa m van het
gebruikte materiaal en de latente warmtecapaciteit CL (in J/kg) van dit materiaal":
Waarbij:
- E = de thermische energie
- m = de massa van het materiaal
- cL = de specifieke warmtecapaciteit van het materiaal
We zullen ook steeds een kleine bijdrage hebben van voelbare warmte.
Phase Change Materials (PCM)
- In elk geval geldt dat voor het smelten van een materiaal een thermische bron (of restwarmte)
beschikbaar moet zijn op een temperatuur hoger dan het fase-overgangspunt.
- Bij het stollen geldt dan weer dat de aangevoerde warmte op een temperatuur onder het stolpunt
moet liggen.
Materialen die hiervoor gebruikt worden, noemen we Phase Change Materials (PCM)
Afhankelijk bij welke temperatuur men kan werken voor de warmtestockage kunnen we beroep doen op andere PCMs.
Thermochemische opslag
=> Warmte wordt opgeslagen in chemische reacties die warmte absorberen of afgeven.
We kunnen ook warmte opslagen in chemische verbindingen.
Hiervoor maken we gebruik van omkeerbare exo- en endothermische chemische reacties.
- Endothermische reacties nemen warmte op
- Exothermische reacties geven warmte weer vrij
Praktisch gezien kan de endothermische reactie bijvoorbeeld gebruikt worden om een moleculaire verbinding te verbreken.
Beide componenten kunnen dan afzonderlijk bewaard worden. Wanneer de warmte dan opnieuw nodig is,
kunnen de 2 componenten weer met elkaar in contact gebracht worden waarbij de exotherme reactie de warmte weer vrijmaakt.
Toepassingen per sector
Klik op de rode i voor meer info.