Materiały o zmiennej fazie w ogrzewaniu budynków – przyszłość magazynowania ciepła

W czasach niepewnej sytuacji na rynku energetycznym, coraz wyższych cen prądu i paliw, koszty ogrzewania domu stają się coraz większym problemem. Sposobami na ich znaczne obniżenie są instalacje fotowoltaiczne, pompy ciepła, które mogą przygotowywać ciepłą wodę użytkową oraz termomodernizacja budynków lub wznoszenie nowych z odpowiednich materiałów.

Nadwyżki energii elektrycznej wyprodukowanej przez panele PV mogą być magazynowane w coraz popularniejszych magazynach energii. Podobnie do tego, energia cieplna również może być efektywnie przechowywana: w magazynach ciepła. Pozwala to właścicielom domów uniezależnić się od dostawców energii oraz paliw. Materiały o zmiennej fazie, czyli PCM, znane są od dawna, jako dodatek do materiałów budowlanych, zaś obecnie zaczynają być wykorzystywane w magazynach ciepła. W artykule postaramy się przybliżyć ten temat. 

Tradycyjne magazyny ciepła oraz ich zastosowanie

Obecnie instalacje fotowoltaiczne oraz pompy ciepła są bardzo rozpowszechnione w domach jednorodzinnych. Jednak pojawia się pytanie: gdzie i jak magazynować nadwyżki energii elektrycznej wyprodukowanej przez panele PV latem? W dobrej sytuacji są szczęśliwcy, którzy zdążyli podpisać z dostawą energii elektrycznej umowę na net-metering, ponieważ mogą zimą odebrać z sieci 70-80% energii oddanej latem. Natomiast obecny system net-billing jest bardzo niekorzystny dla prosumentów. Odpowiedzią są właśnie magazyny: energii i ciepła. Jest to rozwiązanie właściwie niezbędne dla domów jednorodzinnych. Magazyny energii elektrycznej rozpowszechniają się, zaś ich cena znacząco spada. Jednak energię można też przechowywać w magazynach ciepła, zarówno wytworzoną przez pompy ciepła, jak i grzałki elektryczne zasilane z instalacji PV. Domowe magazyny ciepła jako medium najczęściej wykorzystują gorącą wodę. Są to duże zbiorniki w kształcie cylindra lub prostopadłościanu, przypominające bojlery. Wewnątrz znajduje się wężownica, która umożliwia wymianę ciepła między wodą z obiegu centralnego ogrzewania, a czystą wodą wodociągową, bez mieszania ich ze sobą. Zbiorniki dla domów jednorodzinnych mają pojemność od 20 do 1000 l - dobiera się ją w zależności od mocy urządzenia grzewczego (np. pompy ciepła lub kotła gazowego) oraz zapotrzebowania na ciepłą wodę. Bufory ciepła albo zasobniki buforowe współpracują z pompami ciepła. Nie tylko umożliwiają magazynowanie nadmiaru ciepła produkowanego przez te urządzenia, ale i zwiększają ich efektywność. Ponadto zapobiegają krótkim cyklom pracy pomp ciepła, które mogą wystąpić, gdy zapotrzebowanie na ciepło jest niewielkie i mogą przyczyniać się do szybszego zużycia pompy. Ponadto bufory zapewniają ciągły dostęp do ciepłej wody, nawet w okresach, gdy pompa nie pracuje. Technologia wykorzystywana w magazynach ciepła jest znacznie prostsza, niż w magazynach energii elektrycznej, dlatego urządzenia te są znacznie tańsze. Ich ceny zaczynają się już od kilku tysięcy zł. Jednak do magazynów energii i ciepła można uzyskać dofinansowanie z takich programów rządowych, jak „Czyste powietrze” albo „Mój prąd 6.0”.

Rodzaje magazynów ciepła

Magazynowanie (akumulacja) ciepła następuje w urządzeniach nazywanych ogólnie zasobnikami ciepła. Magazynowanie ciepła (TES) jest technologią, która umożliwia przechowywanie ciepła (lub chłodu) w celu późniejszego wykorzystania. W zależności od zakresu temperatur medium akumulującego, magazyny ciepła dzielą się na niskotemperaturowe (do 120°C), średniotemperaturowe (120-500°C) oraz wysokotemperaturowe (powyżej 500°C). Natomiast ze względu na zasadę działania wyróżnia się 3 podstawowe systemy magazynowania energii cieplnej: poprzez wykorzystanie ciepła właściwego, ciepła przemian chemicznych oraz energii przemian fazowych (PCM). Źródłami energii przechowywanej w magazynach ciepła mogą być: promieniowanie słoneczne, instalacja fotowoltaiczna lub ciepła woda, podgrzana przez pompę ciepła. Wykorzystanie ciepła właściwego to najprostszy oraz najtańszy sposób magazynowania, stosowany od dawna. Dokonuje się tego przez podwyższenie temperatury medium akumulacyjnego. Energię cieplną tą można magazynować zarówno w ciałach stałych, takich jak skały, piasek, fundamenty, bloki betonowe, jak i cieczach, głównie wodzie, ale i także ciekłych woskach, olejach oraz wybranych czynnikach chłodniczych. Woda wydaje się być najlepszym ośrodkiem magazynującym ciepło w temperaturze poniżej 100°C ze względu na łatwą dostępność, niską cenę oraz wysokie ciepło właściwe.

 Magazynowanie ciepła

Magazynowanie ciepła przy wykorzystaniu reakcji chemicznych jest oparte na reakcjach endotermicznych, czyli pochłaniających energię. Zgromadzoną energię uwalnia się w reakcji egzotermicznej. Zaletą tej metody jest dużą ilość energii cieplnej otrzymywanej z jednostki objętości oraz możliwość jej długotrwałego przechowywania w temperaturze otoczenia. Natomiast wadami są  wysokie koszty oraz złożoność metody. Wykorzystanie ciepła przemian fazowych opiera się na materiałach PCM, które absorbują, akumulują oraz uwalniają energię w zakresie temperatury przemiany fazowej, czyli zmiany stanu skupienia ze stałego na ciecz i odwrotnie. Podczas tej przemiany PCM może być pochłaniać lub wydzielać znaczne ilości ciepła, przy praktycznie niezmiennej temperaturze. Jest to bardzo obiecująca metoda, dlatego przyjrzymy się jej bliżej w dalszej części artykułu.

Materiały PCM – charakterystyka ogólna

PCM to technologia magazynowania ciepła utajonego, opierająca się na przemianach fazowych odpowiednich materiałów, czyli cyklicznego topnienia i zestalania. Gdy do takiego materiału będącego w stanie stałym (krystalicznym) zacznie być doprowadzana energia cieplna, to jego temperatura rośnie aż do chwili, gdy zaczyna się topić, czyli rozpoczyna się przemiana fazowa. Od tego momentu materiał PCM zaczyna absorbować energię cieplną, nie zmieniając przy tym swojej temperatury - pobiera tzw. ciepło utajone. Natomiast po całkowitym stopieniu materiału jego temperatura wzrasta i zaczyna on pobierać tzw. ciepło jawne, jednak w znacznie mniejszej ilości. Nagromadzone ciepło jest oddawane, gdy materiał PCM z powrotem zestala się. Zjawisko to może być też wykorzystane do magazynowania chłodu.

Obrazowym przykładem różnicy pomiędzy ciepłem jawnym a utajonym może być energia pobierana podczas topnienia lodu. Aby podgrzać 1 kg tej wody, powstałej ze stopienia 1 kg lodu, od 0°C do 1°C potrzebne jest 1,16 Wh energii. Natomiast do stopienia tego lodu - przy zachowaniu temperatury 0°C - potrzeba 93 Wh energii cieplnej, czyli aż 80 razy więcej.

Materiały PCM dzielą się na organiczne (parafiny, kwasy tłuszczowe, ciecze jonowe) oraz nieorganiczne (sole, ich hydraty oraz mieszaniny eutektyczne). Zaletą materiałów organicznych jest stabilność w wielu cyklach topnienia-zestalania, zestalanie bez przechłodzeń oraz wysokie ciepło przemiany fazowej. Wadami są: wysoka cena, bardzo niska przewodność cieplna, duża rozszerzalność objętościową w procesie topnienia oraz palność.  Materiały nieorganiczne są tańsze, charakteryzują się bardzo wysokim ciepłem topnienia oraz wąskim zakresem temperatury przemiany fazowej, rzędu 2°C–3°C. Mają też wyższe przewodności cieplne i są niepalne. Jednak posiadają 2 dwie poważne wady: przy zestalaniu występują często kilkunastostopniowe przechłodzenia, niektóre z nich są również niestabilne w procesach przemian fazowych. Materiały PCM są zwykle produkowane, jako zamknięte w mikrokapsułkach z tworzywa sztucznego.

PCM w budownictwie

Przy wznoszeniu współczesnych budynków energooszczędnych wykorzystuje się lekkie materiały budowlane, które posiadają dobrą izolacyjność, ale i małą pojemność cieplną. Efektywne zwiększenie pojemności cieplnej budynku, bez znaczącego zwiększania jego masy, jest możliwe przez zastosowanie materiałów PCM. Metoda ta wywodzi się już z lat 70ch XX w., jednak wyraźny postęp w jej wdrażaniu nastąpił ostatnich latach, co wynikało z konieczności opracowania technologii wytwarzania trwałych elementów budowlanych z materiałami PCM. Obecnie materiały PCM są dodawane do materiałów budowlanych lub też montowane w postaci niewielkich zasobników, np. nad sufitami podwieszanymi lub pod podłogą. Pełnią one rolą magazynu ciepła. Jeżeli chodzi o materiały budowlane, to najczęściej są to elementy gipsowe (płyty) lub betonowe. Podczas produkcji dodaje się do gipsu lub cementu materiał PCM w postaci mikrogranulatu.

PCM w magazynach ciepła

Przy stosowaniu wody w magazynach ciepła wykorzystuje się jej stosunkowo duże ciepło jawne. Jednak jest ono proporcjonalne do różnicy temperatur. Jeśli wynosi np. 50°C, to każdy litr wody pochłonie 50 * 1,16 = 58 Wh. Tak duże różnice temperatur są czasem nieosiągalne w domowym systemie grzewczym. Dobre materiały PCM mogą zaabsorbować nawet 50 Wh/kg energii cieplnej w zakresie temperatur zaledwie 10°C. Dlatego magazyny ciepła PCM maja sens tylko w systemach, w których występują małe różnice temperatur - im mniejsze, tym efektywniejsze magazynowanie ciepła utajonego. Natomiast tam, gdzie występują różnice temperatur powyżej 20°C, przed zainwestowaniem w magazyn ciepła powinno się obliczyć, czy jednak bardziej opłacalny będzie oparty na wodzie. Przykład: PCM na bazie parafinowej ma ciepło jawne wynoszące około 0,6 Wh/kg*K (prawie 2 razy mniejsze od wody.). Przy różnicy temperatur 50°C może on zmagazynować zaledwie 30 Wh, dlatego woda będzie tu lepszym rozwiązaniem. Systemy grzewcze z dużymi różnicami temperatur są jednak coraz rzadsze, ponieważ występują w nich znaczne straty energii. Nowoczesne systemy niskotemperaturowe, takie jak ogrzewanie podłogowe, są znacznie efektywniejsze. Jednak im mniejsza różnica temperatur, tym mniej energii mogą przechować magazyny ciepła jawnego. I tu z pomocą przychodzą materiały PCM. Domowe magazyny ciepła oparte na PCM to rozwiązania niskotemperaturowe, czyli działające w zakresie temperatur przemiany fazowej czynnika do 120°C. Do ich zalet należą: duża pojemność cieplna w stosunku do masy oraz prawie stała temperatura topnienia, natomiast do wad: wysoka cena, możliwość rozdziału faz i zmniejszenia pojemności cieplnej oraz możliwość przegrzania lub przechłodzenia czynnika magazynującego. Przykładem domowych magazynów ciepła (baterii termicznych) wykorzystujących materiały zmienno fazowe są obecne na polskim rynku urządzenia jednego ze światowych producentów. Z wyglądu przypominające lodówki lub pralki, oferowane są w wersjach wykorzystujących energię elektryczną z instalacji fotowoltaicznej (zawierających grzałkę) oraz zasilanych ciepłą wodą przez pompę ciepła, jednak mogą być zasilane z dowolnego źródła ciepła. Stanowią zamienniki zbiorników ciepłej wody użytkowej o pojemnościach od 70 do 300 litrów, przy czym są od nich około 4 razy mniejsze objętościowo.

Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (P.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.ogrzewnictwo.pl