Skladištenje toplotne energije

Direktno skladištenje toplote u izolovanim čvrstim telima ili fluidima je moguće čak i pri niskim temperaturama (teorijski T>00 C ), ali se tako skladištena energija može koristiti samo kao toplota (npr. ugrejano kamenje ili cigle u ložištima pekara koje se greju jeftinom električnom energijom preko noći) Skladištena toplote pri visokoj temperaturi se može koristiti i kao toplota u industrijskim procesima i za toplotne mašine (npr. Stirlingov motor) Skladištenje toplote je jako pogodno za zagrevanje prostorija (niskotemperaturna toplota) ali se može koristiti i kod konvencionalnih TE i NE koje su dominantni instalisani kapaciteti u EES-ima Istorijat: - prvo skladištenje pare datira iz 1873. godine - prvi hidraulični akumulator potiče iz 1893, a prvi sistem za regenerativno zagrevanje vode je razvijen 1924. godine u Manhajmu - razvoj akumulatora sa vlažnom parom pod pritiskom počinje od 1913. u Nemačkoj (Ruth-ov akumulator), a sistem razvijen 1929. godine Za skladištenje termalne energije u TE u cilju dobijanja električne energije nije pogodno koristiti deo energije iz parnog kotla već je neophodno uzeti energiju u vidu vodene pare (između kotla i turbine)

Slika 7.1: Tehnološka šema TE (sa Rankine-Klausijusovim ciklusom) 1 – parni kotao sa ložištem, generatorom pare, pregrejačem i međupregrejačem, 2 – para na izlasku iz turbine visokog pritiska, 3 – para visokog pritiska na ulazu u turbinu, 4 – turbina visokog pritiska, 5 – para koja je dodatno zagrejana u međupregrejaču, 6 – turbina srednjeg pritiska, 7- para na izlazu iz turbine srednjeg pritiska, 8 – turbina niskog pritiska, 9 – kondenzator (razmenjivač toplote), 10 – regenerativni zagrejač vode srednjeg pritiska, 11 – kondenzat koji se vraća u kotao

Konvencionalna TE može raditi pod konstantnim uslovima nezavisno od zahteva potrošnje ako se obezbedi skladištenje energije u samoj TE Ako se primeni skladištenje toplotne energije, parni kotao može da radi sa konstantnom snagom koja odgovara srednjoj izlaznoj snazi TE: u toku noći kada je potrošnja manja vrši se skladištenje toplotne energije u vidu vodene pare, a zatim se ta energija koristi u toku dana za proizvodnju električne energije za pokrivanje potrošnje U modernim TE stepen iskorišćenja Rankine-Klauzijusovog ciklusa se povećava tako što se jedan deo pregrejane pare izdvaja iz tubine i koristi se za zagrevanje vode koja se vraća u kotao (regenerativno zagrevanje vode) Toplota dobijena iz izdvojene pregrejane pare iz turbine se može koristiti kod toplotnih potrošača (toplana-elektrana) ili za skladištenje u vidu tople vode, time bi se smanjila izlazna snaga TE Kada je potrebno snaga TE se može povećati isključenjem toplotnih potrošača i korišćenjem skladištene toplote za dodatno zagrevanje kotla U ređim slučajevima para iz turbine se može direktno voditi toplotnom potrošaču, u slučaju gubitka pare mora se dolivati voda u kondenzator Velike TE-toplane se mogu koristiti za zagrevanje čitavih naselja, pri tome se mogu koristiti podzemna skladišta tople vode

Slika 7.2: Korišćenje skladišta toplotne energije u cilju povećanja i smanjenja izlazne snage termoelektrane

Slika 7.3: Podzemno skladište toplote: zona B je zona skladištenja toplote (zagreva se voda iz zone A prolaskom kroz izmenjevač toplote), u periodima sa deficitom toplote tok energije je suprotan (skladište daje toplotu)

Osnovna veličina prethodnog sistema za skladištenje toplote je količina vode koja se može preneti između podzemnog skladišta i površine: gde su: Q – količina vode u vremenu (protok) K – konstanta proporcionalnosti k – permeabilnost tla (propustljivost u odnosu na vodu) h – debljina sloja dP – razlika pritiska između spoljašnjeg i unutrašnjeg skladišta μ – viskoznost vode r1 i r2 – poluprečnici cevi spoljašnjeg i unutrašnjeg sistema za skladištenje

Solarni sistemi za grejanje se koriste kao dodatni izvori toplote (kao osnovni služe gasni, dizel ili električni kotlovi) ili kao osnovni izvori toplote (u područjima sa dovoljnom količinom Sunčevog zračenja) Osnovni deo solarnog sistema: - solarni termalni kolektor - rezervoar tople vode sa izmenjivačem toplote - solarna jedinica sa pumpom i regulacijom - radni fluid (solarni medijum) Kao izolacija za rezervoar se obično koristi mineralna ili staklena vuna koja može da obezbedi višednevno skladištenje toplote solarni kolektor ili prijemnik (izmenjivač toplote) osnovni delovi - prozirni poklopac (veliki koeficijent transmisije τ) - prijemnik toplote (veliki koeficijent apsorpcije α) tipovi solarnih kolektora - pločasti - cevni (vakuumski) - koncentrirajući

Slika 7.4: Solarni sistem za pripremu potrošne tople vode

Centralni prijemnik ili solarni toranj Slika 7.5: Solarna termalna elektrana koja koristi princip centralnog prijemnika

Medijumi za skladištenje toplote Postoje dva načina skladištenja toplote: - skladištenje senzibilne toplote, bazirano na toplotnom kapacitetu medijuma za skladištenje - skladištenje latentne toplote, bazirano na energiji koja je u vezi sa promenom stanja medijuma (topljenje, isparavanje i promena strukture) Za skladištenje toplote korišćenjem senzibilne i latentne toplote mogu da se koriste sledeće supstance i materijali: - voda pri niskoj temperaturi i niskom pritiskom (50C < T < 950C) - voda pri visokoj temperaturi i visokom pritisku - visokotemperaturna ulja - istopljene soli - stene ili materijali koji zahtevaju ulje ili istopljenu so kao medijum za prenos toplote

Energija se može skladištiti kao senzibilna toplota zahvaljujući porastu temperature medijuma za skladištenje, voda je pogodna za ovu svrhu zbog toga što je jeftina i zato što ima veliki toplotni kapacitet (4180 J/(kg0C)), ipak, zbog niskih tačaka topljenja i ključanja, voda se može koristiti kao medijum za skladištenje samo između 50C i 950C Energija korišćena pri promeni temperatature od 500C je reda 104 J/kg za stene, beton i gvozdenu rudu Pri skladištenju toplote sa ekstremno visokim temperaturama (>10000C) javljaju se problemi u vezi sa korišćenim materijalima: korozija, topolotni udari i drugi problemi pri prenosu toplote Voda pri visokoj temperaturi ima prednost što se može direktno koristiti u ciklusima toplotnih mašina bez dodatne opreme kao što su izmenjivači toplote ali zahteva sud pod pritiskom za temperature veće od 1000C

Tabela 7.1: Poređenje medijuma za skladištenje toplote

Materijali za skladištenje latentne toplote su materijali koji se tope i smrzavaju na određenim temperaturama i imaju velike latentne toplote očvršćavanja i kristalizacije Skladištenje latentne toplote ima prednost u odnosu na skladištenje senzibilne toplote zbog veće gustine skladištene energije po stepenu temperaturne promene u ograničenom opsegu temperatura oko tačke očvršćavanja Načini promena stanja materijala dodavanjem ili oduzimanjem toplote: topljenje, isparavanje, promene rešetkaste strukture ili promena sadržaja vode koja je vezana u kristalnoj strukturi

Tabela 7.2: Tačke topljenja mešavina fluorida Neorganske soli (npr. fluoridi) vezuju velike količine toplote pri očvršćavanju ali njihova visoka temperatura topljenja prouzrokuje probleme sa korozijom, u cilju snižavanja temperatura topljenja predložene su mešavine soli Tabela 7.2: Tačke topljenja mešavina fluorida

Hidratne soli imaju temperature promene stanja koje su pogodne za skladištenje toplote, međutim njihova promena stanja je komplikovanija od običnog topljenja pošto se javlja čvrst ostatak u razblaženom rastvoru Npr. Glauber-ova so Na2SO4·10H2O se razlaže pri 320C u zasićen vodeni rastvor NaSO koji sadrži i nehidratan ostatak Na2SO4, pri čemu se oslobađa 252 kJ/kg Metalni hidridi su takođe predloženi za skladištenje toplote, njihova promena stanja se sastoji u apsorpciji vodonika u rešetki metala ili u leguri metala: metal + vodonik ↔ hidrid + toplota Postoji interesovanje da se za skladištenje energije koristi sledeća visokotemperaturna hemijska reakcija: U toku minimima potrošnje, toplota iz primarnog izvora se koristi u reaktoru-reformeru gde se skladišteni CH4 i H2O konvertuju u CO i H2 koji se smeštaju u poseban sud pri ambijentalnoj temperaturi (pri kojoj se ne odvija suprotna reakcija) U toku vršnog opterećenja, pokreće se suprotna reakcija a toplota koja se oslobađa se koristi u parnom ciklusu u TE

Centralno skladište Glavni problemi kod projektovanja skladišta toplote su: - nalaženje pogodnog načina za brzi prenos toplote do i od jedinice za skladištenje toplote - smanjenje toplotnih gubitaka tako da vreme u toku koga bi se toplota izgubila bude znatno duže od vremena čuvanja toplote Gubici toplote iz centralnog skladišta zavise od površine kontejnera sa medijumom za skladištenje toplote a ukupni kapacitet skladišta zavisi od zapremine kontejnera Površina je proporcionalna kvadratu dimenzija kontejnera, a zapremina je proporcionalna trećem stepenu dimenzija kontejnera: velika skladišta zahtevaju relativno manje izolacije nego mala skladišta (proporcionalno u odnosu na veličinu skladišta) Kod malih skladišta veći je temperaturni koeficijent odvođenja toplote tako da su veći i relativni gubici toplote u okolni prostor Veličina skladišta je takođe bitna, tako da se ispituju mogućnosti podzemog skladištenja toplote za potrebe zajednice na dužem vremenskog periodu

Slika 7.6: Stacionarna raspodela temperature T/Tc u funkciji rastojanja od centra sferičnog skladišta toplote u odnosu na referentnu temperaturu Tc za 1: R=10 m, 2: R=30 m, 3: R=50 m, 4: R=75 m

Čelični kontejneri - pogodni za skladištenje senzibilne toplote u čvrstim telima i tečnostima za prenos toplote pri atmosferskom pritisku - medijumi za skladištenje toplote mogu biti pakovani komadi stena, ulje ili istopljene soli - mogući su i čelični kontejneri pod pritiskom (iznad 10 bara) ali su skupi i manjih su dimenzija Ojačani betonski kontejner pod pritiskom - ovakvi kontejneri su korišćeni kod prvih nuklearnih reaktora - beton zahteva hlađenje i ojačanje čeličnim šipkama da bi se štitio od visoke temperature, sistem za hlađenje je skup ali smanjuje gubitke - ipak, betonski kontejner je jeftiniji po kubnom metru od čeličnog kontejnera - postoji mogućnosti skladištenja visoktemperaturne vode Ojačani kontejneri od kaljenog gvoždja - koristi se gvozdeni lukovi koji čine više cilindričnih slojeva - zahteva se spoljna termička izolacija - jeftiniji od betonskih i čeličnih kontejnera

Podzemni kontejneri - imaju oblik iskopane pećine u čvrstim stenama sa čeličnom i betonskom zaštitom od naprezanja - jeftino skladište, sa mogućnošću skladištenja velikih količina energije - mogućnost skladištenja visokotemperaturne vode, koristi se vazduh pod pritiskom između kontejnera i stena kao zaštita od naprezanja Skladištenje visokotemperaturne vode u podzemnim slojevima - porozni slojevi šljunka ili peska natopljeni vodom koji se nalaze između nepropusnih slojeva - mogućnost skladištenja velikih količina energije na dnevnom, nedeljnom ili čak sezonskom nivou - skladištenje toplote u svrhe dobijanja električne energije bi bilo skupo i nepraktično, s obzirom na relativno nisku temperaturu skladištene vode Kontejneri za skladištenje toplote mogu biti: - zasebni topli ili hladni rezervoari - rezervoar u kome topli fluid (ulje ili so) pliva na vrhu hladnog fluida a granica između njih se pomera kako se rezervoar puni i prazni toplotom - dvo-medijumski rezervoar sa pakovanim komadima stena i sa uljem (ili rastopljnom solju između) koje se upumpava kao fluid za prenos toplote

Proizvodnja električne energije iz skladištene toplote Načini konverzije skladištene toplotne energije u električnu energiju: - brzim pretvaranjem visokotemperaturne vode u paru i nisko temperaturne vode u paru (smanjenjem pritiska) i njihovim prolaskom kroz tubinu visokog ili srednjeg pritiska (za dodavanje pare) - korišćenjem tople vode za zagrevanje napojne vode čime se smanjuje regenerativno zagrevanje vode parom iz turbine i povećava snaga turbine - korišćenjem pare pod pritiskom za transfer toplote do napojne vode ili za transfer toplote za dobijanje pregrejane pare u termodinamičkom ciklusu (za pregrevanje ili međupregrevanje pare) Prema načini rada postoje sledeće vrste kontejnera vodene pare ili akumulatora: - akumulator sa varijabilnim pritiskom - ekspanzioni akumulator - hidraulični akumulator

Slika 7.7: Akumulator sa promenljivim pritiskom Akumulator sa promenljivim pritiskom (Ruth-ov akumulator) - kada je akumulator napunjen, negovu celokupnu zapreminu čini vrela voda sa malim jastukom od pare iznad - u režimu pražnjenja para se izvlači sa vrha ali pošto se pritisak smanjuje onda se deo vode pretvara u paru - akumulator se puni tako što se ubacuje para i meša se sa vodom Slika 7.7: Akumulator sa promenljivim pritiskom

Slika 7.8: Ekspanzioni akumulator sa brzim isaprivačem - kada je akumulator napunjen, negovu celokupnu zapreminu čini vrela voda sa malim jastukom od pare iznad - u režimu pražnjenja voda se izvlači sa dna pa se smanjuje pritisak - para se dobija iz eksternih isparivača gde se voda pretvara u paru - za punjenje akumulatora treba dodavati vodu i paru Slika 7.8: Ekspanzioni akumulator sa brzim isaprivačem

Hidraulični akumulator - kada je napunjen termalnom energijom, sadrži toplu vodu na željenoj temperaturi, kada je ispražnjen sadrži hladnu vodu - voda se ubacuje na vrhu pri punjenju a hladna voda se odvodi sa dna prilikom pražnjenja - pošto topla voda ima manju gustinu od hladne, ona pliva na vrhu, oštar temperaturni gradient odvaja toplu od hladne vode (zavisi samo od toplotne provodnosti vode, drugi načini mašanja vode su sprečeni) - prilikom pražnjenja, jedan ili više isparivača se koriste za generisanje pare za turbine - odvedena voda i para se mogu ponovo vratiti u akumulator - u toku punjenja, para se meša sa hladnom vodom da bi se postigla željena temperatura vode - postoji mogućnost da se poveća količina napojne vode kako bi se nadoknadilo odvođenje pare - medijum za skladištenje toplote ne mora da bude topla voda, u tom slučaju moraju da se koristi izmenjivač toplote da bi se obezbedila topla voda za proizvodnju pare

Slika 7.9: Hidraulični akumulator