Obetavno shranjevanje energije

Učinkovita raba energije -  V Evropi bi lahko zmanjšali letno rabo energije v stavbah in industrijskem sektorju za 1,4 milijona GWh.

Objavljeno
02. december 2013 18.18
Ice Storage Tanks were installed at several locations on Dover Air Force Base. The tanks are part of a thermal energy storage system which will help reduce energy costs by $300,000 a year. (U.S. Air Force photo/Brianne Zimny)
Eneja Osterman
Eneja Osterman

Energijo (električno ali toplotno) vseskozi potrebujemo, vendar večinoma ne takrat, ko je na razpolago. Zaradi tega je shranjevanje energije nujen element, ko govorimo o učinkoviti rabi energije in rabi obnovljivih virov energije. Če bomo v prihodnosti hoteli postati neodvisni od fosilnih goriv, bo potrebna uporaba kratkotrajnih ali dolgotrajnih shranjevalnikov energije.

S tem ne bomo samo zagotovili energijske neodvisnosti, pač pa bomo tudi dosegli zmanjšanje izpadov električne energije v času konične rabe. Takšna rešitev je dobra tako s tehničnega vidika kakor tudi ekonomskega. Študije kažejo, da se lahko učinkovitost sistemov izboljša za 10 do 15 odstotkov, vršna raba pa zmanjša za 20 do 50 odstotkov.

Načini shranjevanja energije

Shranjevanje energije je že dolgo znana tehnologija, saj so na primer ljudje že v preteklosti uporabljali (in seveda tudi še danes) akumulacijo toplote v zidovih hiš ali pa so led pozimi shranili v kleti, tako imenovane ledenice, kjer se je ohranil do poletja, ko so ga uporabili za hlajenje. Dandanes je možnosti še več, predvsem poznamo sisteme s senzibilnim shranjevanjem toplote, to je s povišano ali znižano temperaturo določene snovi. Takšni sistemi imajo razmeroma majhno kapaciteto, giblje se med 3 in 30 Wh/kg, so pa precej bolj razširjeni kot sistemi z latentnim shranjevanjem, pri katerih se toplota shrani s spremembo agregatnega stanja (na primer sprememba ledu v vodo). Kapacitete v tem primeru so večje, okoli 30 do 45 Wh/kg. Znano je tudi termo-kemično shranjevanje, kjer se energija sprošča ali rabi v kemičnih reakcijah (30–30.000 Wh/kg), in pa električno shranjevanje (0,1–300 Wh/kg).

V nadaljevanju bomo predstavili najpogostejše načine shranjevanja energije in nekatere primere iz prakse.

Rezervoarji za vodo

Uporaba rezervoarjev za vodo je ena najbolj znanih tehnologij za senzibilno shranjevanje toplotne energije. Rezervoar se uporablja za shranjevanje toplotne energije v povezavi s solarnimi sistemi, z daljinskimi sistemi za ogrevanje ali pa v primeru kogeneracijskih sistemov. Prav tako so takšni shranjevalniki pomembni v električno ogrevanih sistemih za pripravo tople sanitarne vode, saj na tak način zmanjšamo konično odjemno moč, učinkovitost shranjevanja energije pa lahko še dodatno izboljšamo z zagotavljanjem optimalnega razslojevanja v rezervoarju.

Poleg naštetih možnosti uporabe takšni shranjevalniki pridejo v poštev tudi pri sezonskem shranjevanju, torej takrat, ko želimo toploto, ki je na voljo poleti, shraniti za zimski čas. Študije kažejo, da so takšni sistemi ekonomsko upravičeni.

Podzemno shranjevanje energije

V tem primeru uporabimo zemljo pod površjem za shranjevanje toplote, kakor tudi hladu, s pomočjo vrtin, shranjevanja v vodonosnikih ali v velikih naravnih vodnih rezervoarjih. V primeru vrtin poteka prenos toplote (in posledično shranjevanje) med delovnim medijem in peskom/skalami/glino. Pri uporabi vodonosnikov gre za to, da črpamo vodo iz tal, jo ohladimo ali ogrejemo (glede na to, kaj želimo) in nato injiciramo nazaj v zemljo.

Princip naravnih vodnih rezervoarjev je podoben kot pri rezervoarjih za vodo. S takšnimi tehnologijami je mogoče znižati stroške električne energije tudi za 75 odstotkov, oviri pri vgradnji takšnih sistemov sta naravne danosti in pa stroški investicije.

Latentno shranjevanje

Senzibilno shranjevanje ima to prednost, da je razmeroma poceni, vendar je gostota shranjene energije nizka, prav tako se spreminja temperatura pri praznjenju oziroma polnjenju s toploto. Za premagovanje teh slabosti uporabljamo fazno spremenljive snovi (FSS), torej takšne, ki spreminjajo agregatno stanje. Primeri latentnega shranjevanja so banke ledu, kjer hlad v nočnem času shranimo s pomočjo fazne spremembe voda–led, ali pa manjše aplikacije, kot so škatle za transport krvi, kjer je pomembna konstantna temperatura, grelniki za gretje prstov na nogah in rokah …

Trenutno so FSS zelo aktualne v povezavi s stavbami, kjer se pojavljajo različne možnosti uporabe (faza raziskovanja, pilotni projekti). Tako lahko mikrokapsule s FSS vgradimo v gradbeni material (pasivni sistem) in na ta način shranimo sončno energijo v dnevnem času ter hlad v nočnem času, kar prispeva k manjši porabi energije. V aktivnih sistemih so FSS zaprte v posodah različnih oblik, obteka pa jih tekočina, ki prinaša ali odnaša toploto ozioma hlad in tako poskrbi, da se snov stali oziroma strdi.

Termo-kemično shranjevanje

Takšni sistemi izkoriščajo toploto kemičnih reakcij, kot na primer adsorpcija (vezava snovi na površino druge trdne snovi). Tipične aplikacije uporabljajo adsorpcijo vodne pare na silika gel ali zeolite, kjer se med polnjenjem vodne molekule desorbirajo s površine adsorbenta, pri praznjenju pa jih ta ponovno veže. Prednost teh sistemov je velika gostota energije.

Trenutne raziskave se precej osredotočajo na izkoriščanje odvečne toplote iz industrijskih procesov, prav tako pa je zanimiva ideja o transportu toplote. Pri tej gre za to, da uporabijo odpadno toploto iz sežigalnice kasneje v procesu sušenja. Sorpcijsko enoto polnijo pri 150 °C, jo transportirajo nekaj kilometrov stran in jo nato praznijo pri 180 °C. Višja temperatura pri praznjenju je možna, saj se entalpija vlažnega zraka pretvori v temperaturni dvig pri adsorpciji vode v zeolit.

Električno shranjevanje

Takšno shranjevanje omogoča razklopitev proizvodnje in rabe elektrike, kar je zelo pomembno pri izkoriščanju obnovljivih virov energije, ki so podvrženi velikim dnevnim in sezonskim spremembam.

Sistemi, pri katerih shranimo elektriko oziroma jo pretvorimo v drugo obliko energije, so: črpalne hidroelektrarne, baterije, superprevodno magnetno shranjevanje, vztrajniki, sistemi z elektrolizo/gorivnimi celicami, kondenzatorji, ultrakondenzatorji in komprimiranje zraka.

Obeti

Trenutno možnosti shranjevanja energije še ne uporabljamo v celoti, saj večina takšnih sistemov ni ekonomsko upravičenih oziroma niso konkurenčni sistemom s fosilnimi gorivi, prav tako za večino sistemov ne moremo zagotoviti učinkovitega delovanja na dolgi rok. Ocene kažejo, da bi lahko v Evropi zmanjšali letno rabo energije v stavbah in industrijskem sektorju za 1,4 milijona GWh, s čimer bi se izpusti ogljikovega dioksida zmanjšali za 400 milijonov ton (IEA-ETSAP).

V prihodnosti naj bi šel razvoj v smeri shranjevanja energije za hlajenje in za industrijske procese (predvsem visokotemperaturni) ter za mobilne shranjevalnike. Načrtovane naloge v okviru ECES in s tem povezane raziskave se bodo nanašale na: nadzor kakovosti pri načrtovanju, konstrukciji in obratovanju sistemov za shranjevanje energije z vrtinami, integracijo obnovljivih virov s pomočjo razpršenih shranjevalnikov energije, razvoj snovi za izboljšanje sistemov shranjevanja toplote, TES za stroškovno učinkovito upravljanje z energijo in zmanjševanje emisij ogljikovega dioksida ter na povezavo ničenergijskih stavb, omrežij in shranjevanja energije s poudarkom na optimizaciji in avtomatizaciji.

Eneja Osterman, mlada raziskovalka, Fakulteta za strojništvo Univerze v Ljubljani