CAPITOLUL I. METODE ȘI CERINȚE PRIVIND STOCAREA ENERGIEI TERMICE Importanța stocării energiei termice Stocarea energiei termice a devenit foarte… [302389]
CAPITOLUL I. METODE ȘI CERINȚE PRIVIND STOCAREA
ENERGIEI TERMICE
Importanța stocării energiei termice
Stocarea energiei termice a devenit foarte importantă în ultimile decenii. [anonimizat], solară, etc., a căror tehnologii au un impact redus asupra medului înconjurător. [anonimizat]. Mai ales după accidentul de la Cernobîl din 26 aprilie 1986 și mai recent cel de la Fukushima din 11 martie 2011, numeroase țări au decis să renunțe la energia produsă cu ajutorul centralelor nucleare. [anonimizat] 2022, conform Deutche Welle [], iar BDEW (Asociația Germană a Energiei și Apei) a publicat un articol în 2011, în care a prezentat date privin reducerea producției de energie electrică folosind puterea nucleară de la 22,4% din producția totală de enegie a Germaniei în 2010, la 17,7% în 2011 [].
[anonimizat], cum ar fi un câmp de colectare a energiei solare sau o [anonimizat], când colectarea energiei nu mai este posibilă. Pentru o [anonimizat], duc la variații în producția energiei electrice. [anonimizat], când perioada de lumină a zilei este scăzută. [anonimizat] o [anonimizat]. Pentru a [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat] a centralei. [anonimizat].
[anonimizat] a [anonimizat] o creștere a eficienței centralei. [anonimizat] o [anonimizat] (SST), îi poate îmbunătăți performanța de la 12,4% până la 13,2%, deși reduce eficiența aburului de la 37,9% la 37,5%. Eficiența aburului este redusă datorită faptului că, o parte din căldura din instalație este stocată în SST [].
[anonimizat] a energiei termice are același rol. Vara, [anonimizat], [anonimizat] a fost stocată pentru a încălzi clădirea.
Avantajele sistemelor de stocare a energiei termice în comparație cu alte sistemele de stocare a [anonimizat], utilizarea ușoară a sistemului și costul redus datorat simplității constructive. [anonimizat], [anonimizat]ialul izolator al rezervorului care asigură păstrarea energiei termice stocate o perioadă mai lungă de timp.
În funcție de aplicația în care este folosit sistemul de stocare, acesta trebuie să asigure energia necesară pentru ca sistemul folosit să poată funcționa, în cel mai rău caz la capacitate minimă. Pentru aceasta, sistemul de stocare trebuie să funcționeze în anumite intervale ale temperaturii, pentru fiecare aplicație în parte. Exemple de intervale de temperaturi la care trebuie să funcționeze sistemele de stocare pentru diferite aplicații sunt prezentate în tabelul 1.
Tabelul 1. Intervale de temperatură pentru diverse aplicații ale sistemelor de stocare[3,,,]
Temperatura agentului de lucru la ieșirea din câmpul de colectare a energiei solare, definește temperatura de funcționare a sistemul de stocare a energiei termice. Astfel, sistemul de stocare va depinde de temperatura nominală de lucru a câmpului solar. Alte cerințe adiționale care influențează SST sunt puterea electrică maximă produsă de centrală și modul de integrare al SST în centrală pentru o funcționare cât mai eficientă.
Integrarea sistemelor de stocare a energiei termice în aplicații
Pentru a fi considerate eficiente, sistemele de stocare termice, trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
densitate mare de energie în sistemul de stocare;
transfer termic bun între agentul de lucru și mediul de stocare;
stabilitate chimică și mecanică a materialului de stocare;
compatibilitate chimică între agentul de lucru, schimbătorul de căldură și mediul de stocare;
reversibilitate completă între un număr mare de descărcări/încărcări;
pierderi mici de căldură;
cost redus;
impact redus asupra mediului.
Sistemele pentru stocarea energiei termice se integrează în centrale pentru a reduce diferențele dintre energia furnizată de soare și energia necesară centralei pentru funcționare. Sistemele de stocare a energiei termice, ajută centrala solară în următoarele moduri [3]:
Modul de amortizare – Perioadele de vreme înnorată sau ploi, forțează turbina-generator să lucreze într-un mod tranzitoriu reducând eficiența acesteia datorită pierderilor la pornire. Prin agentul termic (în general uleiuri sau săruri lichide) se poate obține o inerție termică care poate ajuta centrala să treacă peste perioade scurte înnorate. În plus, un sistem de stocare mic poate ajuta în cazul fluctuațiilor datorate pierderilor prin expunerile solare.
Perioada de livrare, amplasarea și extensia – Perioada de vârf în care este nevoie de putere, e posibil să nu coincidă cu perioada de vârf a radiațiilor solare. Un sistem SST poate îmbunătăți neconcordanțele unei centrale cu necesitatea de energie termică, colectând energie din câmpul solar în orele de vârf cum ar fi dimineața și apoi să descarce energia mai tărziu în orele de consum maxim.
Îmbunătățirea factorului de capacitate anuală – Factorul de capacitate al unei centrale este un parametru de performanță care compară puterea electrică netă livrată de centrală la energia care ar fi putut să o producă funcționând la capacitate maximă în aceeași perioadă de timp. Din moment ce energia solară este disponibilă numai o perioadă din zi, o centrală solară fără sistem de stocare are un factor de capacitate mic. Un sistem SST poate permite centralei să funcționeze când nu este soare, iar dacă sistemul este destul de mare, poate ține centrala în funcțiune până la 24h. Astfel, șapte ore de stocare pot crește factorul de capacitate, sau fracția solară, de la un obișnuit 25% sau maxim 28%, până la 43%. Sistemul de stocare pentru această utilizare ar avea nevoie de un câmp solar mai mare decât cel necesar pentru centrale fără stocare.
SST trebuie să lucreze în paralel atât cu centrala solară cât și cu câmpul de recoltare a energiei solare. Pentru a funcționa eficient, se face o simulare cu aceste modele în care se stabilește strategia de funcționare și performanța totală a sistemului.
Eficiența unei centrale electrice solare se compune din eficiența câmpului de colectare a energiei solare, eficiența sistemului de stocare și eficiența ciclului de putere. Eficiența câmpului solar este dată de raportul dintre energia colectată de acesta și energia solară primită. Eficiența ciclului de putere reprezintă raportul dintre puterea netă produsă și cantitatea de căldură introdusă în sistem. Eficiența sistemului de stocare va fi discutată în secțiunea următoare.
Pentru determinarea căldurii necesare în centrală pentru producerea puterii, randamentul ciclului de putere este important. Ecuația pentru cantitatea de căldură este [3]:
unde
W reprezintă puterea necesară[W];
ƞciclu– randamentul ciclului de putere;
Q – căldura necesară pentru acționarea blocului de producere a energiei electrice [J].
Eficiența sistemelor de stocare a energiei termice
Un sistem de stocare a energiei termice trebuie să poată îndeplini cerințele termice ale centralei în timpul procesului de încărcare și descărcare. Pentru definirea eficienței SST au fost propuse următoarele ecuații [3]:
Aceste ecuații ale randamentului, nu țin cont de pierderile sistemului de stocare către exterior și nici de faptul că, la o rată a transferului termic mare, apar reacții ireversibile în sistem, care reduc capacitatea de stocare a acestuia, ceea ce duce la o reducere a cantității de energie termică utilă din sistem. Pentru a lua în calculul eficienței și aceste pierderi, s-a introdus termenul de eficiența exergiei a unui sistem de stocare termică. Exergia, exprimă energia folositoare a sistemului, ea reprezentând cantitatea de energie ce poate fi furnizată de sistem, până când sistemul ajunge la un echilibru termic cu mediul în care se află sistemul de stocare. În cazul în care sistemul trece de starea de echilibru cu mediul, exergia acestuia începe să fie distrusă. Diferența dintre energia stocată și exergie, o reprezintă faptul că, energia poate fi conservată, în timp ce exergia poate fi consumată sau distrusă. Prin urmare, exergia acumulată de sistem poate fi scrisă sub următoarea formă [3]:
unde:
ΔExsistem reprezintă exergia acumulată de sistem;
ExintratSST – exergia intrată în sistem în timpul încărcării acestuia;
ExQ – exergia existentă în sistem;
ExcedatSST– exergia cedată de sistem în timpul descărcării;
Expierdut– exergia pierdută de sistem în timpul perioadelor de încărcare și descărcare, cât și exergia pierdută de sistem datorată materialului izolator ar rezervorului.
Mai jos, se regăsesc diferite metode de calcul pentru eficiența exergiei sistemului de stocare a energiei termice. Aceste metode sunt variate pentru că se calculează pentru încărcare, descărcare, cicluri de încărcare și descărcare, precum și pierderile cauzate de lucru mecanic de pompare.
Pentru încărcare, eficiența exergiei poate fi definită ca raportul dintre cantitatea de exergie stocată (Exstocată) și cantitatea de exergie totală primită în timpul încărcării (ExSST):
Dacă se dorește să se cunoască eficiența exergiei la încărcare în timp, atunci se folosește raportul:
Pentru determinarea eficienței exergiei când se ia în calcul și pomparea:
Exergia maximă ce poate fi stocată este dată de relația:
Eficiența exergetică la descărcare, poate fi definită ca fiind exergia totală scoasă din sistemul de stocare cu ajutorul agentului termic, raportată la exergia stocată în acesta.
Exergia totală a sistemului de stocarepoate fi calculată în două moduri, primul ar fi produsul dintre exergia de încărcare și exergia de descărcare, iar al doilea ar fi exergia recuperată de sistemul de stocare, raportată la exergia cedată de acesta:
Exergia stocată de un sistem ce folosește ca mediu de stocare, material cu căldură sensibilă este:
În care:
ρ – densitatea materialului de stocare [kg/m3];
c – capacitatea termică specifică a materialului de stocare [J/(kg·K)] ;
V – volumul materialului de stocare [m3];
T0 – temperatura de referință [K];
L – înălțimea rezervorului de stocare [m];
t – timpul [s];
z – coordonatele verticale.
Toate aceste ecuații ajută la evaluarea performanțelor sistemelor de stocare. Pentru îmbunătățirea eficienței sistemului de stocare, în primul rând trebuie reduse ireversibilitățile sistemului, care sunt asociate cu diferența de temperatură de la intrarea în sistem față de temperatura acestuia, cât și diferențele de temperatură de la ieșirea din sistem, față de temperatura mediului de stocare.
Moduri de stocare a energiei termice
Energia termică poate fi stocată în moduri diferite: sub formă de căldură sensibilă, sub formă de căldură latentă (prin schimbare de fază) și stocare termochimică (reacții chimice reversibile endoterme și exoterme).
Sistemele de stocare a energiei termice SST, pot fi clasificate active sau pasive. Diferența dintre acestea constă în faptul că, SST active stochează căldura într-un fluid care are capacitatea de a circula între rezervoare. În cazul în care fluidul care stochează căldura are și rolul de agent de lucru, atunci acest tip de sistem de stocare se numește direct-activ. Când este necesar un schimbător de căldură între agentul termic care transportă căldura de la câmpul de colectare solar la lichidul de stocare care are posibilitatea să circule între rezervoare, atunci acest sistem de stocare se numește indirect-activ.Dacă agentul de lucru transportă căldura spre un mediu solid sau lichid, iar acest mediu are numai rolul de a înmagazina căldura, atunci, acest sistem de stocare este unul pasiv. Orice configurație aleasă, trebuie să îndeplinească condițiile de bază a unui sistem de stocare, prezentate în secțiunea 2.
Din tabelul 2 [3] în care sunt prezentate proiecte pentru diferite centrale, cu diverse medii de stocare se observă că principala metodă de stocare folosită la ora actuală este prin sistemul cu două rezervoare cu săruri lichide. Celelalte tipuri de sisteme de stocare nu sunt atât de răspândite, deoarece încă se află în stadiu de îmbunătățiri.
Tabelul 3. Centrale solare funcționale cu sistem de stocare a energiei termice [3]
4.1. Stocarea energiei termice sub forma căldurii sensibile
În cazul sistemelor de stocare a energiei termice care funcționează prin înmagazinarea căldurii sensibile, încărcarea și descărcarea sistemului se face prin convecție forțată. Aceste sisteme stochează căldura prin creșterea temperaturii unui material de stocare. Principalele proprietăți fizice ale materialului de stocare sunt capacitatea termică, cp, care determină densitatea energiei și difuzibilitatea termică k/ρcp, care determină rata la care căldura poate fi eliberată sau extrasă [3].
Cantitatea de energie termică sensibilă care poate fi stocată într-un material, este dată de relația:
(12)
în care:
Q reprezintă cantitatea de energie stocată în material [J];
m reprezintă masa materialului de stocare [kg];
Cpreprezintă căldura specifică a materialului [J/(kg·K)];
ΔT reprezintă intervalul de modificare a temperaturii materialului în timpul procesului de încărcare [K].
În prezent, majoritatea SST funcționează în centrale electrice solare pe principiul stocării căldurii sensibile. Aceste sisteme folosesc un sistem cu două rezervoare de stocare a căldurii, iar ca material de stocare folosesc săruri lichide. Ca materiale de stocare mai pot fi folosite: roci, beton, nisip, fontă, etc.. În tabelul 3 se regăsesc principalele materiale ce sunt folosite în sisteme de stocare a căldurii sensibile, precum și proprietățile acestora.
Tabelul 3. Materiale folosite în sisteme de stocare pentru înmagazinarea căldurii sensibile [3]
Sistem activ de stocare a căldurii sensibile cu două rezervoare
Un model de centrală ce folosește un sistem de stocare a energiei termice ce folosește căldura sensibilă, cu două rezervoare, este prezentat în fig. 1. Conform clasificării prezentate anterior, acest sistem este un sistem indirect-activ.Pentru colectarea radiațiilor solare, centrala folosește un câmp solar parabolic, cu agent de lucru normal, iar pentru stocarea energiei termice, sistemul cu două rezervoare. Unitatea de stocare termică se încarcă de la uleiul fierbinte ce acționează ca agent de lucru, încălzit la o temperatură nominală de 393°C, primită de la câmpul solar și trece prin schimbătoarele de căldură ulei-sare. Sarea topită la 292°C este luată din rezervorul rece și trece împotriva curentului prin schimbătoarele de căldură pentru a obține stocarea la temperatura maximă de 385°C. Lichidul încălzit este stocat în rezervorul fierbinte. Când se dorește recuperarea energiei stocate, sistemul funcționează în mod invers, încălzind agentul de lucru, care generează abur necesar pentru funcționarea centralei. În această etapă, temperatura de operare a sistemului de stocare se află între 292°C și 385°C, iar sistemul de stocare se bazează pe convecție forțată pentru a transfera căldura dintre agentul de lucru și mediul de stocare lichid. Lichidul de stocare trebuie să aibă o temperatură de solidificare cu mult sub temperatura de lucru a sistemului de stocare și o temperatură de descompunere mult peste temperatura maximă la care lucrează sistemul de stocare. Mărimea câmpului solar trebuie să fie crescută pentru ca el să poată încărca sistemul de stocare și totodată să producă energie termică pentru blocul de putere. Numărul de ore pentru care sistemul de stocare poate descărca energie depinde de intervalul de temperatură în care lucrează sistemul, cantitatea de material existentă în sistemul de stocare cât și proprietățile termice ale materialului, precum și de energia necesară unității de putere, conform ecuației 1[3,].
Fig. 1. Schema unei centrale solare cu câmp solar parabolic și sistem de stocare a energiei termice cu două rezervoare[]
Sistem de stocare termocline
Un alt sistem activ care folosește stocarea căldurii sensibile, esteprevăzut cu rezervoare thermocline.În asemenea rezervoare, se stochează atât rezervele reci cât și rezervrele calde ale agentului de transfer termic, bazându-se pe legea lui Arhimede pentru promovarea stratificării termice. Astfel, întotdeauna partea de sus a rezervorului va fi mai fierbinte, iar partea de jos mai rece. În mijlocul rezervorului, se formează un gradient termic, care reprezintă regiunea de schimb de căldură. Sistemul thermocline folosește, în general, sare lichidă. Pentru a reduce cantitatea necesară de sare lichidă, în rezervor se mai poate adăuga un material granulat. Acest sistem care conține ca mediu de stocare două materiale, unul solid și unul lichid, se numește thermocline cu mediu dublu. Din cauza costului redus față de SST cu două rezervoare, sistemul thermocline este mai apreciat. SST thermocline cu mediu dublu, este mai avantajos față de sistemul thermocline cu un singur mediu de stocare, din cauza avantajelor tehnologice și a costurilor[].
Dezavantajul sistemelor thermocline, e dat de faptul că, rata de descărcare este mai mică față de sistemele cu două rezervoare. Acest lucru se datorează gradientului termic care se formează la mijlocul rezervorului, după cum se poate vedea și în fig. 2, de unde derivă și denumirea de thermocline.
Fig. 2. Schema repartiției temperaturilor în rezervorul thermocline
Dezavantajul sistemului de stocare thermocline cu mediu dublu de stocare îl prezintă fenomenul de “rachetare termică”. Acest fenomen duce la distrugerea fizică a rezervorului, din cauza materialului de umplere. În timpul încărcărilor termice, materialul de umplere al rezervorului se dilată. În timpul procesului de descărcare, acesta se contractă, miscșorându-și volumul. Datorită forței gravitaționale care acționează asupra materialului de umplere, acesta se va așeza spre partea de jos a rezervorului. După încă o dilatare a materialului datorată procesului de încărcare, acesta, din cauza forței gravitaționale nu poate să urce spre partea de sus, generând astfel tensiuni în pereții rezervorului de stocare. Cu cât numărul de cicluri de încărcare/descărcare crește, cu atât crește și tensiunea ce apasă pe pereții rezervorului, ceea ce poate duce la deformarea sau chiar ruperea acestuia.
O simulare pentru intregrarea sistemului thermocline cu mediu de stocare simplu și dublu, în centrale termice cu colectoare solare, a fost făcută de C. Mira-Hernández, S.M. Flueckiger și S.V. Garimella[8]. Ei au pornit considerând un sistem de stocare cu putere de descărcare de 25MWt și procese de încărcare/descărcare de 12 ore, sursa caldă de 600°C, iar sursa rece de 300°C. Ca agent de stocare s-a luat în calcul sare lichidă, formată dintr-un amestec eutectic din nitrat de sodiu în proporție de 60% și nitrat de potasiu în proporție de 40%. Capacitatea calorică specifică a acestei sări lichide este de aproximativ 1520kJ/kgK, iar debitul masic de 54,8kg/s. Dimensionarea rezervoarelor a fost făcută luând în calcul capacitatea de stocare a energiei termice și rata de descărcare. Ambele rezervoare luate în considerare au fost proiectate cu înălțimea de 12m, diferența făcând-o diametrul acestora. Astfel, pentru rezervorul cu două medii de stocare, diametrul considerat a fost de 14m, volumul total al acestui rezervor fiind de 1847m3. Pentru rezervorul theromocline simplu, diametrul de calcul a fost de 12,85m, iar volumul total al acestuia de 1556m3. Materialul de umplere ales al rezervorului cu două medii de stocare a fost roca de cuarț, cu diametrul mediu al particulelor de 15mm și porozitate de 0,22. Din cauza materialului de umplere, cantitatea de sare lichidă din rezerovul cu mediu dublu de stocare, este de 406m3. Proprietățile rocilor de cuarț, importante pentru stocarea energiei termice, sunt densitatea, de 2500kg/m3, capacitatea specifică de 830J/kgK și conductivitatea termică de 5W·m-1·K-1. Schema acestor rezervoare este prezentată în fig. 3.
Fig. 3. Schema rezervoarelor de stocare thermocline cu (a) două medii de stocare și (b) un singur mediu de stocare[8]
Ambele rezervoare funcționează în mod identic. Pentru încărcare, prin partea superioară intră agent termic fierbinte și iese rece prin partea de jos a rezervorului. În timpul procesului de descărcare, agent termic rece intră prin partea de jos a rezervorului și iese fierbinte prin partea de sus. Timpul unui ciclu complet de încărcare/descărcare durează 24 de ore, fiecare proces durează 12 ore.
Pornind de la aceste date, în urma unei analize cu element finit, s-a constatat că în timpul procesului de descărcare, când se atinge perioada de descărcare de 12 ore, sistemul de stocare cu mediu dublu pierde din temperatura fierbinte, 77 K, în timp ce sistemul de stocare cu un singur mediu pierde doar 36,3 K.
Performanțele celor două sisteme s-au calculat folosind ecuația de eficiență (2)și ecuația de eficiență a exergiei (10) prezentate anterior. Pentru sistemul de stocare cu mediu dublu, eficiența sistemului, folosind ecuația (2), a fost de 98,89%, în timp ce eficiența exergiei calculată cu (10) a fost de 98,75%. Pentru sistemul de stocare thermocline cu mediu de stocare simplu, s-au obținut valorile de de 99,81%, respectiv 99,78%.
Ținând cont de diferența eficienței dintre cele două sisteme thermocline, trebuie reamintit faptul că în sistemul de stocare cu mediu dublu, intră doar 406m3 de sare lichidă, în timp ce în sistemul de stocare thermocline cu mediu simplu, intră 1556m3 de sare lichidă.
Într-o analiză făcută de G. Angelini, A. Lucchini, G. Manzolini[], pentru a compara sistemele de stocare cu două rezervoare și sistemele de stocare thermocline, aceștia au concluzionat, prin diferite simulări în Matlab, că sistemul de stocare thermocline, spre deosebire de sistemul de stocare cu două rezervoare, are o eficiență scăzută la încărcare și descărcare. Eficiența la încărcare și descărcare a sistemelor cu două rezervoare, este întotdeauna aproape de 100%, în timp ce la sistemele de stocare a energiei termice thermocline, va fi tot timpul sub 100%. În analiza făcută, sistemul thermocline prezintă o eficiență la încărcare de 90,9%, iar la descărcare de 70,6%. Mai mult, eficiența de stocare fiind de doar 64,2%.
Pentru îmbunătățirea acestui sistem, se pot cerceta următoarele variabile: tipul de sare lichidă, conductivitatea termică a sării lichide și a materialului de umplere, precum și forma și dimensiunea recipientului de stocare (înălțime, diametru). Din simulări se constată că eficiența la încărcare crește odată cu perioada de lucru rezervorului, dar scade eficiența la descărcare, astfel afectând și eficiența totală. Eficiența maximă a unui sistem de stocare thermocline, a fost stabilită la o perioadă de lucru a rezervorului de 6 ore. În timp ce un rezervor cu perioadă de lucru de 4 ore ar avea eficiență maximă la descărcare [9].
Trebuie ținut cont, de faptul că, sistemele de stocare thermocline au un cost redus cu 33% față de un sistem de stocare termic echivalent cu două rezervoare. Dar trebuie de asemenea ținut cont și de faptul că, la temperaturi mai mari de 545°C, un sistem de stocare thermocline, poate ceda doar 64% din căldura pe care a primit-o de la câmpul de colector solar, în timp ce un sistem cu două rezervoare se apropie de o eficiență de 100%[9].
Stocarea energiei termice sub forma căldurii latente
Sistemele de stocare a energiei termice sub formă de căldură latentă, se bazează pe cantitatea de căldură pe care un material o absoarbe sau o degajă în timpul procesului de schimbare de fază. Schimbările de fază pot fi de la solid la solid, solid la lichid, de la lichid la gaz sau invers. Cea mai folosită schimbare de fază la ora actuală este cea solid-lichid, lichid-solid, deoarece are dilatație termică redusă în comparație cu schimbarea lichid-gaz și căldură latentă mai mare în comparație cu solid-solid.
În timpul schimbării de fază, energia ce poate fi stocată în masa m[kg] a materialului, poate fi calculată astfel:
(13)
unde:
cpsreprezintă căldura specifică medie în faza de solid [J/(kg·K)];
cpl– căldura specifică medie în faza de lichid [J/(kg·K)];
h – entalpia schimbării de fază[J/kg];
Tt – temperatura de topire [K];
Ts – temperatura solidului [K];
Tl – temperatura lichidului [K].
Avantajul procesului de stocare a energiei termice sub forma căldurii latente, îl constituie faptul că procestul este aproape izoterm. Temperatura de stocare fiind temperatura corespunzătoare schimbării de fază a materialului.
În procesele schimbării de fază solid-solid, căldura este stocată prin transformarea structurii cristaline a materialului de stocare. Aceste schimbări de fază au o căldură latentă redusă, dar avantajul lor este dat de libertatea de proiectare și flexibilitatea modelării. Cele mai folosite materiale pentru stocarea căldurii latente la schimbarea de fază solid-solid sunt pentaerythritol cu punctul de topire la 188,8°C și o căldură latentă de fuziune de 323 kJ/kg, pentaglycerine cu punctul de topire la 81,8°C, căldura latentă de fuziune de216 kJ/kg, Li2SO4cu punctul de topire la 578°C, căldura latentă de fuziune de 214 kJ/kg și KHF2, punctul de topire la 196,8°C, căldura latentă de fuziune de 135 kJ/kg [].
Schimbările de volum mari care au loc în timpul schimbărilor de fază, implică proiectarea de sisteme complexe care nu sunt practice. Din acest motiv nu se obișnuiește folosirea sistemelor de stocare termică cu schimbare de fază care să folosească ca mediu de stocare o transformare lichid-gaz. Din acest punct de vedere transformările solid-lichid sunt mai avantajoase, deoarece modificarea volumului de la o stare la alta este de aproximativ 10%, sau chiar mai puțin.
Una din problemele ridicate de aceste sisteme de stocare a energiei termice, îl reprezintă faptul că materialul de stocare, nu poate fi folosit ca agent termic în instalație. Din cauza schimbării de fază, acesta iși modifică volumul sau se solidifică. Din aceste motive este necesară integrarea unui schimbător de căldură pentru a ajuta transferul termic dintre mediul de stocare si agentul de lucru, iar toate acestea trebuie să fie compatibile între ele. Pentru îmbunătățirea și dezvoltarea acestor sisteme de stocare, trebuie aprofundate materialele cu schimbare de fază, materialele din care este construit rezervorul și schimbătoarele de căldură.
Materialele care se folosesc pentru schimbarea de fază, trebuie să posede următoarele proprietăți[10]:
termice:
temperatură acceptabilă a schimbării de fază;
căldură latentă de tranziție ridicată;
transfer termic bun.
fizice:
echilibru de fază favorabil;
densitate mare;
variația volumului redusă la schimbarea de fază;
presiune redusă a gazului.
cinetice:
fără suprarăcire;
rată ridicată a cristalizării.
chimice:
stabilitate chimică pe termen lung;
compatibilitate cu materialele rezervorului și schimbătorului de căldură;
să nu fie toxice;
să nu fie inflamabile.
economice:
cost redus;
disponibile.
Din cauza numărului mare de materiale cu schimbare de fază disponibile (organice, anorganice, eutectice), este necesară o clasificare a acestora [10]:
organice:
parafine;
neparafine.
anorganice:
săruri hidrate;
metalice;
eutectice:
organic – organic;
anorganic – anorganic;
anorganic – organic.
Pentru că nu se poate găsi un material care să aibă proprietățile ideale unei substanțe pentru sisteme de stocare cu schimbare de fază, se fac diferite compromisuri, cum ar fi introducerea de pulberi metalice pentru o conductivitate termică mai bună, sau de introducerea unui agent de formare pentru a evita suprarăcirea. O altă diferență între aceste materiale, o reprezintă compușii anorganici, care, în general au capacitate de stocare volumetrică a căldurii latente de două ori mai bună decât compușii organici.
Parafinele sunt compuși organici formate în general dintr-o înlănțuire de alcani cum ar fi CH3 – CH2 – CH3. Cristalizarea acestui lanț CH3 eliberează o cantitate mare de căldură latentă.Căldura latentă crește odată cu creșterea numărului de atomi de carbon, implicit cu lungimea lanțului. Totuși, din cauza costurilor, parafinele folosite în sisteme de stocare termice sunt parafine tehnice. Avantajul parafinelor e că sunt interte din punct de vedere chimic, stabile la temperaturi sub 500°C, nu sunt corozive, nu au prețuri mari, iar la schimbările de fază nu își modifică volumul prea tare. Dezavantajul acestora constă în conductivitatea termică redusă, incompatibilitatea cu recipienții din plastic și sunt ușor inflamabile [10]. În tabelul 4 sunt prezentate proprietățile diferitelor parafine, produse de Ter Hell Paraffin Hamburg și P116 produsă de Sun Company, USA.
Tabelul 4. Proprietățile fizice a unor parafine[10]
Nonparafinele sunt materialele cele mai numeroase care suportă schimbări de fază. Acestea au numeroase proprietăți, majoritatea fiind diferite. Dezavantajul acestor materiale e că sunt foarte inflamabile și nu ar trebui să funcționeze la temperaturi ridicate. Din aceste materiale fac parte unii acizi grași, esteri, alcooli, glicoli. Avantajul față de parafine, e dat de faptul că nonparafinele au o căldură mult mai mare de fuzionare, de exemplu acidul formic având o căldură latentă de fuzionare de 247kJ/kg. Dezavantajul major al acizilor grași, îl reprezintă costul ridicat față de parafinele tehnice, care e de 2 – 2,5 ori mai mare, iar unele din ele sunt corozive. În tabelul 5 sunt prezentate câteva nonparafine, iar în tabelul 6 câțiva acizi grași [10].
Tabelul 5. Proprietățile fizice a unor nonparafine [10]
Tabelul 6. Proprietățile fizice a unor acizi grași [10]
Sărurile hidrate sunt stucturi solide cristaline care se formează din amestecul sărurilor anorganice cu apă. Structura lor este de tipul AB·nH2O. Ecuația de transformare solid-lichid a sărurilor hidrate, este defapt o deshidratare a sărurilor hidrate. O sare hidrată deobicei se topește formând o altă sare hidrată cu mai puține molecule de apă [10]. Ecuația care prezintă această topire arată astfel:
(14)
sau sub formă anhidră (fără apă):
(15)
Când sărurile hidrate ating punctul de topire, ele se destramă și produc săruri anhidre și apă. În procesul de transformare din solid în lichid, nu se transformă întreaga cantitatea de sare în lichid, rămânând unele cristale, care se lasă la partea inferioară a rezervorului. În timpul transformării de la lichid la solid, corpurile deja solide nu mai iau parte la schimbarea de fază, scăzând astfel eficiența acesteia. Acest lucru se întâmplă din cauză că un număr de moli de apă, n nu sunt suficienți pentru a dizolva un mol de sare, din cauza soluției care este suprasaturată. Cu repetarea ciclurilor, procesul de solidificare-lichefiere devine ireversibil.
Proprietățile care fac aceste săruri să fie luate în considerare sunt căldura latentă ridicată în procesul de fuziune, raportată la unitatea de volum conductivitatea termică ridicată și modificare redusă a volumului în timpul proceselor de schimbare de fază.
Una din caracteristicile negative ale sărurilor hidrate, este dată de faptul că la schimbarea din stare lichidă în stare solidă, înainte să cristalizeze, ele se suprarăcesc. Acest fenomen se poate evita prin folosirea unui agent de nucleație, care conține molecule pe care se poate solidifica sarea hidrată, sau prin păstrarea unor cristale de sare în regiunea rece a rezervorului pentru a ajuta la solidificare.
Pentru a îmbunătăți solidificarea, compania General Electric a creeat în 1979 un aparat de stocare a energiei termice care funcționează cu săruri hidrate. Aparatul conține un cilindru rotativ care creează un curent de convecție. Acest curent de convecție ajută atât la circularea materialului de stocare în rezervor când acesta se află în stare lichidă cât și la creșterea eficienței procesului de încărcare și descărcare. Tot acest curent îmbunătățește procesul de lichefiere, ajutând la “dizolvarea” mai rapidă a sării, prevenind astfel menținerea cristalelor pe pereții rezervorului[].
O prezentare a unor săruri hidrate de bună calitate și proprietățile acestora sunt prezentate în tabelul 7.
Tabelul 7. Proprietățile fizice a unor săruri hidrate [10]
Metalicelereprezintă o categorie aparte de materiale anorganice cu schimbare de fază. În această categorie se încadrează metale, care au un punct de topire scăzut și aliajele acestora. Nu sunt recomandate și nu au fost cercetate din cauza creșterii masei sistemului. Avantajul acestora este capacitatea calorică ridicată și conductivitatea termică foarte bună. Căldura de fuziune a acestora este mică, la fel și presiunea vaporilor[10].
Eutecticele sunt un amestec de două sau mai multe materiale a căror topire se face la o temperatură exactă. Ecutecticele se topesc și solidifică fără segregare, pentru ca ambele componente se solidifică și se topesc în acelasi timp.
Câteva proprietăți fizice, importante pentru sistemul de stocare, ale materialelor eutectice sunt redate în tabelul 8.
Tabelul 8. Proprietățile fizice a unor eutectice [10]
Un sistem ce folosește un rezervor cu material cu schimbare de fază este prezentat de M. Seitz, P. Cetin și M. Eck, în lucarea Thermal storage concept for solar thermal power plants with directsteam generation []. Acest sistem este prezentat în figura 4.
În sistemul prezentat, apa din blocul de putere este trimisă direct în câmpul solar, unde este preîncălzită, evaporată și apoi supraîncălzită. Aburul produs de câmpul solar este trimis în turbină, iar dacă există surplus, acesta este folosit pentru încărcarea sistemului de stocare. Pentru momentele din zi sau luni din an, când câmpul solar nu produce destulă căldură, este folosită căldura din sistemul de stocare [12].
Sistemul de referință folosit în acest studiu, este o centrală termică solară cu o putere electrică de 50MW, ce folosește colectoare solare de ultimă generație. Sistemul de stocare al căldurii are o capacitate de 1000MWh, care poate produce abur timp de 8 ore pentru a ține turbina în funcțiune la capacitate maximă. Câmpul solar a fost proiectat pentru a produce abur supraîncălzit la o temperatură de 550°C. Presiunea aburului la încărcarea sistemului va depinde de punctul de topire al materialului cu schimbare de fază și de diferența de temperatură dintre condensare și evaporare.Pentru sistemele de stocare considerate în lucrare, se consideră o temperatură de topire a nitratului de sodiu de 306°C. Se ia în calcul o diferență de temperatură de 10K pentru rezervorul cu material de stocare cu schimbare de fază ce corespunde parametrilor de condensare de 316°C și 107bari și parametri de evaporare de 296°C la 81 bari. Pentru schimbătoarele de căldură sensibilă pentru rezervoarele cu sare topită, se va considera o diferență de temperatură de 7K.
Fig. 4. Schema unei centrale termice solare, cu generare directă de aburi ce folosește un sistem de stocare cu materiale cu schimbare de fază pentru evaporare și un sistem de stocare cu trei rezervoare pentru preîncălzire și supraîncălzire
În lucrare[12] au fost considerate patru modele, pornind de la sistemul de referință. Cazul 1 constă în sistemul de referință, cu trei rezervoare; cazul 2, constă în sistemul adaptat cu sare, cu trei rezervoare, cazul 3, este un sistem adaptat cu aburi, cu două rezervoare, iar cazul 4, sistem cu presiune adaptată, cu două rezervoare.
În fig. 5 este prezentat cazul de referință, în care, pentru încărcarea sistemului, abur fierbinte intră prin partea din dreapta la o temperatură de 550°C și un debit de 56kg/s. Datorită faptului că rezervorul de stocare cu material cu schimbare de fază nu rezită la temperatura aceasta, apa condensată este recirculată, acest sistem de recirculare fiind folosit și pentru controlul temperaturii la intrarea în rezervorul cu material cu schimbare de fază. Aburul din rezervorul de stocare a energiei termice cu schimbare de fază, condensează în timpul procesului de încărcare cu o diferență a transferului de temperatură de 10K, la 316°C și o presiune de 107 bari [12]. Apa saturată la ieșirea din rezervor, este apoi subrăcită de un alt schimbător de căldură, pentru ca apoi să se întoarcă la câmpul solar la o temperatură de 285°C.
Fig. 5. Modul de poziționare a rezervoarelor în sistemul de referință
Pentru stocarea căldurii sensibile se folosește un sistem cu trei rezervoare cu sare lichidă. Din cauză că sarea lichidă are temperatura de solidificare la 238°C, s-a luat o marjă de eroare de 32K, față de punctul de solidificare, stabilindu-se astfel temperatura minimă rezervorului rece ca fiind 270°C. Pentru rezervorul intermediar s-a dedus o temperatură de 309°C din temperatura de staturație a aburului încălzit de 316°C și diferența de temperatură de 7K din schimbătorul de căldură. Din cauză că apa și aburul au capacități termice diferite, aburul supraîncălzit ducând sarea lichidă la o temperatură de 510°C, trebuie să difere și debitul de sare lichidă care curge prin schimbătoarele de căldură, ceea ce conduce la necesitatea unui al treilea rezervor intermediar, care să colecteze sarea lichidă când aceasta nu mai ajunge în rezervorul fierbinte [12].
Procesul de descărcare are loc, atunci când curgerea este în sens invers procesului de încărcare. Astfel, în timpul descărcării, apa pornește de la temperatura de 262°C, din blocul de putere și este preîncălzită la temperatura de saturație de 296°C și adusă la o presiune de 81 bari. Procesul de evaporare care are loc în rezervorul de stocare a energiei termice cu material cu schimbare de fază, are loc la temperatură constantă, iar apoi aburul este supraîncălzit la o temperatură de 477°C, astfel, sarea lichidă din rezervorul fierbinte, ajunge în rezervorul intermediar la o temperatură de 309°C, iar de acolo sarea este trimisă în rezervorul rece.
Pentru proiectarea unui sistem de stocare a energiei termice cu capacitatea de 1000MWh, care să funcționeze 8h, sunt necesare 4900t de sare lichidă. Rezervorul pentru sare lichidă rece trebuie construit astfel încât să poată ține toate cele 4900t de sare, în timp ce rezervorul intermediar și cel fierbinte poate să aibă dimensiuni mai mici, de 3200t și respectiv 1700t. Rezervorul care funcționează cu material cu schimbare de fază, trebuie să poată conține 13500t de nitrat de sodiu [12].
De asemenea un aspect important îl are și blocul de putere, căruia, prin folosirea sistemului de stocare cu material cu schimbare de fază, îi scade eficiența ciclului Rankine de la 42,3% la 40,3%.
Sistemul de stocare adaptat, cu sare, prezentat în fig. 6, conține de asemenea trei rezervoare, în schimb diferența constă în amplasarea rezervorului intermediar, care în acest caz, este pus imediat după rezervorul fierbinte. Modelul prezentat are o capacitate termică mai mare la nivelul rezervoarelor cu sare, la nivelul de supraîncălzire. Acest lucru duce la folosirea unei temperaturi mai ridicate, de aproximativ 400°C, în loc să fie imediat sub procesul de evaporare/condensare. Sistemul permite o temperatură de 543°C în rezervorul fierbinte și o temperatură a aburului la intrarea în rezervorul de stocare a energiei termice cu material cu schimbare de fază de 330°C. Totodată, datorită debitului mai scăzut față de sistemul de referință, în secțiunea supraîncălzită, cantitatea de sare lichidă necesară scade la 4000t, iar cantitatea de material din rezervorul de stocare a energiei termice cu material cu schimbare de fază, poate fi scăzută la 12600t, fapt de conduce și la scăderea costului total al instalației de stocare a energiei termice. Față de sistemul de referință, crește și eficiența blocului de putere, la 41,5%.
Fig. 6. Schema sistemului de stocare, adaptat cu sare
Configurația a treia, fig. 7, are ca scop costuri reduse, dar și o supraîncălzire a aburului la parametri ideali pentru turbină. Pentru că rezervorul intermediar a fost eliminat, cantitatea de sare lichidă necesară pentru stocarea căldurii este mai mică, iar sarea poate fi folosită pe întregul interval de temperaturi în care lucrează sistemul de stocare. Acest sistem are nevoie de 3000t de sare lichidă pentru sistemul de stocare a căldurii cu căldură sensibilă și de 13300t de nitrat de sodiu pentru sistemul de stocare a energiei termice cu material cu schimbare de fază.
Fig. 7. Schema sistemului de stocare, adaptat cu aburi
Sistemul de stocare cu presiune adaptată, fig. 8, conține de asemenea două rezervoare pentru stocarea căldurii sensibile. În acest model, este folosită dependența presiunii de capacitatea calorică specifică a aburului, presiunea fiind astfel redusă continuu în linia de aburi pentru a menține capacitatea termică specifică a aburului în toată zona de supraîncălzire.Pentru funcționarea acestui sistem, presiunea aburului la ieșirea din câmpul solar ar trebui să fie de 135bari, iar temperatura de 550°C. Acești parametri nu pot fi obținuți folosind un câmp solar cu colectoare solare cu oglinzi, dar o variantă ar putea fi folosirea unui turn solar cu lentile fresnel. Cantitatea necesară de sare lichidă pentru rezervoare este de 3200t, iar cantitatea de nitrat de sodiu pentru rezervorul cu material cu schimbare de fază de 12900t. Eficiența blocului de putere este și în acest caz scăzută, din cauza procesului de descărcare, moment în care turbina ar funcționa la 60% din capacitate. Din acest motiv eficiența ciclului ajunge la 41,7%.
Fig. 8. Schema sistemului de stocare, cu presiune adaptată
Analizând fiecare sistem separat, putem observa că sistemul de referință are cele mai mari pierderi din cauza recirculării apei saturate, acest lucru ducând și la o construcție mai complexă.
În sistemul de stocare adaptat cu sare, s-a luat în calcul modificarea poziției rezervorului intermediar, acest lucru conducând la o eficiență mai ridicată decât cea a sistemului de referință, material de stocare a energiei termice mai puțin, dar și o complexitate mai scăzută.
Între sistemul de stocare adaptat cu aburi și sistemul de stocare adaptat cu sare, nu sunt diferențe din punct de vedere al performanțelor, dar faptul că a fost eliminat un rezervor și cantitatea de material cu schimbare de fază mai scăzută față de sistemul de referință, conduc la un cost de producție mai mic al sistemului de stocare.
Sistemul de stocare a energiei termice cu presiune adaptată este cel mai simplu dintre toate. Acesta nu necesită bypass, supraîncălzire și nici un rezervor intermediar. Dezavantajul acestuia este că are nevoie de un câmp de colectare a energiei solare mai complicat pentru a creea presiunea necesară, iar această presiune ridicată duce la o scărere a eficienței stocării.
Am ales descrierea acestui sistem deoarece acesta prezintă cum diferite sisteme de stocare a energiei termice pot fi folosite împreună pentru a crește eficiența stocării și eficiența totală a centralei termice solare.
Acumulatori de abur
În plus față de folosirea uleiurilor sintetice și a sărurilor topite în sisteme de stocare active, apa poate fi folosită ca mediu de stocare în sisteme numite acumulatori de abur. În aceste sisteme, încărcarea are loc când aburul supraîncălzit sau apă saturată intră într-un rezervor de stocare presurizat, care inițial conține abur saturat și apă saturată. Dacă sistemul este încărcat cu abur supraîncălzit, temperatura și presiunea apei din rezervor crește, crescând astfel și starea de saturare a masei inițiale. Pe de altă parte, dacă lichid saturat este folosit pentru încărcarea sistemului, presiunea și temperatura sistemului rămân constante dar masa este mărită. Procesul de descărcare are loc prin reducerea presiunii din rezervorul de stocare. Din asta rezultă producerea aburului saturat a cărui presiune scade în timpul procesului de descărcare. Dacă se dorește abur supraîncălzit, un sistem de stocare adițional este necesar pentru creșterea temperaturii aburului. Acumulatorii de abur sunt preferabili pentru generarea de abur direct pentru centralele solare, în care aburul este produs direct în câmpul solar și apoi este folosit pentru acționarea blocului de putere. Aburul care este produs în exces, poate fi deviat spre un acumulator de aburi. Aceste sisteme pot avea atât rolul unui sistem de stocare cât și de separator de fază în centrale cu generare de abur direct care funcționează în mod de recirculare. În acest mod, aburul saturat este separat de lichidul saturat într-un separator și apoi trimis prin alt colector pentru a se supraîncălzi. După cum se poate vedea în fig. 9, în loc să fie folosite două piese de echipament diferite, aburul umed iese din câmpul solar și intră în sistemul combinat de acumulator/separator de abur unde fazele sunt separate și presiunea rămâne constantă[3].
Fig. 9. Integrarea unui acumulator de aburi într-o centrală cu generare directă de abur
Din moment ce aceste sisteme necesită rezervoare de stocare presurizate, acestea fiind și scumpe, și de asemenea dețin densități energetice mici (capacitatea volumetrică de stocare pentru apă este 20-30kWh/m³ în comparație cu aproximativ 100kWh/m³ pentru PCM), sunt cu adevărat folositoare cândsunt necesare capacități de stocări termice mici, ca în cazul stocărilor de tip tampon. Pentru a crește capacitatea de stocare, căldura latentă de stocare ar trebui să fie folosită în conjuncție cu acumulatorul de aburi, prin introducerea unui material cu schimbare de fazădirect în acumulatorul de aburi sau înaintea acumulatorului de abur. Pot fi, de asemenea, utilizați în configurații de stocare indirectă, în care un agent termic separat cum ar fi uleiul sintetic intră într-un schimbător de căldură care este în contact cu masa din acumulatorul de abur[3].
Un sistem de acumulator de abur dezvoltat de Ruth, fig. 10, a fost folosit în aplicații ale centralelor solare. În timpul încărcării, acest sistem este format dintr-un rezervor umplut cu apă fierbinte saturată și o pernă de abur. În timpul descărcării, presiunea din rezervor scade, ceea ce cauzează ca și apa din acesta să scadă. Scăderea presiunii și a temperaturii aburului va varia în funcție de nevoile ciclurilor turbinei din blocul de putere[3].
Fig. 10. Acumulator de abur cu presiune variabilă dezvoltat de Ruth
Stocarea energiei termice sub forma termochimică
Sistemul de stocare termochimic, utilizează energia solară pentru a conduce o reacție chimică care stochează energia termică sub forma unor reacții chimice reversibile. Cantitatea de căldură stocată într-o reacție chimică depinde de căldura de reacție [10]:
(16)
unde:
cr – cantitatea reacționată [-];
m – unitatea de masă [kg];
ΔH – căldura de reacție pe unitatea de masă [J/kg].
Avantajul stocării termochimice este dat, de faptul că, ar putea exista reacții care prin disociere, să poată fi stocate la temperatură ambiantă fără pierderi termice. Un alt avantaj ar fi faptul că reacția poate avea loc la temperatură constantă, dacă strategia de operare a sistemului, cu ajutorul schimbătorului de căldură, ar fi adaptată să poată scoate căldura din reactanți odată cu procesul de reacție [10].
Dezavantajul unui astfel de sistem de stocare a energiei termice, este dat de conductivitatea termică, stabilitatea transformărilor chimice, reversibilitate, pierderi ce pot apare din cauza stocării gazelor din reacții și costurile acestui tip de sistem. Conductivitatea termică este foarte importantă pentru că aceasta asigură dinamica de descărcare și încărcare a sistemului.
Posibile substanțe ce pot fi folosite în mediu de stocare termochimic, sunt prezentate în tabelul 9.
Tabelul 9. Proprietăți și reacții ale unor substanțe folosite în sisteme de stocare termochimice [10]
Sisteme pasive de stocare a energiei termice
Sistemele pasive de stocare a energiei termice, folosesc ca mediu de stocare un solid. Deobicei materialele folosite pentru stocare, sunt materiale ieftine, cum ar fi nisip, roci, beton, etc., care au rolul de a înmagazina căldura sensibilă.Alt avantaj privind aceste sisteme, ar fi faptul că nu necesită schimbător de căldură, materialele folosite nu prezintă pericol asupra mediului și nu sunt inflamabile.Dezavantajele constau în conductivitatea termică redusă a materialelor, ceea ce duce la o încărcare și descărcare a energiei termice mai lentă, capacitatea de stocare raportată la volumul materialului de stocare este relativ mică, iar temperatura în mediul de stocare nu este uniformă.
Sistemul de stocare funcționează folosind agent termic fierbinte care, circulând prin conducte încastrate în materialul de stocare, cedează căldura către acesta în timpul procesului de încărcare, iar în timpul procesului de descărcare, agentul termic rece curge în sens invers prin conducte, preluând căldura de la materialul de stocare. Dezavantajul acestui sistem îl reprezintă transferul termic redus dintre conducta prin care curge agentul termic și materialul de stocare. Pentru îmbunătățirea acestui transfer termic, diferite materiale, cum ar fi grafitul, au fost introduse între conducte și materialul de stocare.În acest sistem putem considera grafitul ca fiind un schimbător de căldură pasiv. În fig. 11 este prezentată schema unui astfel de sistem de stocare pasivă a energiei termice cu conducte încastrate și material de îmbunătățire a transferului termic.
Fig. 11. Schema unei unități de stocare pasivă a energiei termice cu conducte încastrate
Un alt tip de sistem pasiv de stocare a energiei termice constă într-un rezervor în care este plasat un material de stocare prin care curge fluidul de transfer termic. Acest tip de sistem se mai numește și sistem de stocare cu pat împachetat și funcționează pe același principiu ca cel cu conducte încastrate. Ca material de stocare pentru aceste sisteme se pot folosi diverse metale care să nu reacționeze în contact cu agentul termic, roci de cuarț, nisip, materiale cu schimbare de fază încapsulate, minereuri, etc.. Datorită faptului că agentul termic se află în contact direct cu materialul de stocare, coeficienții de transfer termic pot fi mari.Un astfel de sistem de stocare cu pat împachetat este prezentat în fig. 12.
Fig. 12. Sistem de stocare a energiei termice cu pat împachetat
Modurile de transfer termic în aceste sisteme pot fi [3]:
transfer termic convectiv, de la pereții rezervorului spre fluid;
transfer termic convectiv, de la particulele fluidului ce curg prin rezervor;
transfer termic conductiv, de la pereții rezervorului spre particulele din care e format materialul de stocare;
transfer termic conductiv între particulele individuale ale materialului de stocare;
transfer termic radiant;
transfer termic prin amestecul fluidului;
transfer termic de la rezervorul de stocare către mediu.
Parametrii care relatează eficiența sistemelor de stocare cu materiale împachetate sunt coeficientul de transfer termic și căderea de presiune. Coeficientul de transfer termic pentru un material de umplere format din sfere ambalate aleatoriu este []:
unde,
iar,
Căderea de presiune poate fi estimată cu relația [13]:
iar f se calculează cu relația
în aceste ecuații:
h – reprezintă coeficientul de transfer termic [W/m·K];
G0 – debitul la care intră agentul termic fierbinte în rezervor[m3/s];
Pr – numărul lui Prandtl [-];
cp – căldura specifică [J/(kg·K)];
υ – vâscozitatea cinematică [m2/s];
μ – vâscozitatea dinamică [kg/(m·s)];
α – difuzibilitatea termică [m2/s];
L – înălțimea materialelor de stocare [m];
gc – constantă gravitațională [m/s2];
Ds – diametrul efectiv al particulelor [m];
A0 – suprafața secțiunii conductei de umplere a rezervorului [m2];
f – reprezintă frecarea dintre aceste particule;
ξ – reprezintă media spațiilor libere dintre particulele ce formează materialul de umplere [m];
m – masa fluidului[kg];
A și B sunt constante care depind de rugozitatea particulelor.
Conform ecuațiilor de mai sus, conductivitatea termică a materialelor împachetate din sistemul de stocare reprezintă o medie ce depinde atât de proprietățile termice ale materialului, cât și de debitul lichidului care transportă căldură.
Un model de stocare a energiei termice sub forma căldurii latente folosind capsule sferice a fost proiectat de Reign [] pentru observarea comportamentului sistemului de stocare. Studiul făcut de acesta cercetează efectele temperaturii de intrare a agentului termic în rezervor, debitul masic, intervalul temperaturii de schimbare de fază și dimensiunea capsulei ținând cont că se folosesc capsule sferice atât pentru procesul de încărcare cât și cel de descărcare. Sistemul conceput de acesta este prezentat în fig. 13.
Fig. 13. Sistemul de stocare a energiei termice sub forma căldurii latente cu capsule sferice proiectat de Reign
Capsulele folosite au fost umplute cu parafină de puritate 99%, ce aveau temperatura de solidificare 58 – 60°C. Importanța acestei lucrări e dată de faptul că prezintă datele ce influențează performanțele sistemului de stocare.
Concluziile din această lucrare arată că timpul necesar solidificării complete este prea mare în comparație cu timpul de topire, datorită coeficientului de transfer termic redus în timpul procesului de solidificare. Iar o temperatură mai ridicată al agentului termic la intrarea în sistemul de stocare scurtează perdioada de încărcare, similar, perioada de stocare se poate scurta crescând debitul. Timpii proceselor de încărcare și descărcare se pot scurta folosind capsule de dimensiuni reduse.
Sisteme de stocare a energiei termice în sol
Pentru a stoca energie termică în sol, e necesar să se cunoască aceleași proprietăți fizice ale solului, ca pentru celelalte sisteme de stocare. Este necesară cunoașterea capacității termice a solului, coeficientul de transfer termic, densitatea și cum variază toate acestea în funcție de fenomenele atmosferice, perioada anului, tipul solului și adâncimea la care se face stocarea.
Proprietățile termice ale solului sunt greu de calculat și adesea au erori din cauza texturii, dimensiunilor particulelor, forma acestora și așezarea lor. De asemenea conținutul volumetric de apă are o importanță deosebită în conductivitatea termică. Cu toate acestea, au fost dezvoltate metode pentru a estima conductivitatea termică a solului pornind de la textură, densitate și conținutul de apă. Determinarea teoretică a conductivității termice și capacității termice, ajută în modelarea sistemelor de stocare în sola energiei termice.
Se cunoaște faptul că solul are capacitatea de a stoca energia termică din cauza conductivității termice slabe, dar și a căldurii specifice ridicate. Din acest motiv căldura stocată se va pierde greu. Tot din cauza conductivității termice slabe, introducerea căldurii și stocarea acesteia este o problemă.
Un studiu făcut de Steven R. Evett, Nurit Agam, William P. Kustas, Paul D. Colaizzi și Robert C. Schwartz publicat în Avansuri în resurse de apă (Advances in Water Resources), prezintă partea teoretică pentru stabilirea principalelor proprietăți ale solului [].
Conductivitatea termică, conform studiului celor menționați mai sus, se determină în funcție de conținutul de apă, la orice valoare a densității solului și este legată de difuzibilitate, astfel [15]:
(23)
unde:
λ – conductivitatea termică [Js-1m-1K-1];
α – difuzibilitate [m2s-1];
Cv – capacitatea termică volumetrică [Jm-3K-1].
Capacitatea termică volumetrică putând fi calculată, fără erori, din cantitatea de apă ce se află într-un anumit volum și densitatea solului [15]:
(24)
unde:
ρs – densitatea solului [Mg·m-3];
θ – conținutul de apă [m3·m-3].
Ecuația se referă la un sol mineral cu densitatea particulelor de 2,65Mg·m-3 și cu materie organică neglijabilă[15].
Iar fluxul termic în sol, G, pentru un mediu omogen se poate calcula cu relația:
(25)
unde:
z – cota de adâncime [m].
O lucrare ce prezintă un model de pompă de căldură cu schimbător de căldură în sol ce are la bază teoria transferului termic și masei în sol, precum și influența proprietăților solului asupra stocării energiei termice a fost făcută de Xinguo Li, Jun Zhao și Qian Zhou. Aceștia au făcut o și o simulare numerică folosind programul Autough2 [].
În această simulare a fost luat în calcul faptul că diferite materiale din sol, au proprietăți diferite (roci, argilă, nisip, etc.) dar și umezeala din sol care duce la o convecție termică ridicată.În model, schimbătorul de căldură nu este tratat ca o condiție limită, ci ca o sursă de căldură internă în ecuațiile de bilanț energetic.Solul din jurul schimbătorului de căldură a fost împărțit în straturi pentru a simplifica analiza, iar în fiecare strat tipul de sol și temperatura sunt uniforme, pentru a neglija transferul termic pe direcție verticală. Corespunzător, fiecare segment din schimbătorul de căldură este considerat ca fiind o sursă interioară de căldură din fiecare strat (ΔZ). În fig. 14 este prezentat modelul de analiză. Cu cât sunt luate în calcul mai multe straturi, cu atât analiza este mai precisă[16].
b) c)
Fig. 14. Modelul fizic al solului și zona cu căldură interioară pentru un schimbător de căldură subteran. (a) Structura geometrică, (b) segmentul ΔZ, (c) cumularea fiecărui segment
În analiză a fost considerat un schimbătoru de căldură de 90m, U, vertical cu o rată de transfer termic de 40W/m atât la cedarea căldurii în sol cât și la extracție.Câmpul simulat este un pătrat cu latura de 21m, schimbătorul de căldură aflându-se în mijlocul acestuia și având diametrul de 0,3m. Temperatura inițială a solului a fost considerată 15°C, iar proprietățile solului sunt prezentate în tabelul 10.
Tabelul 10. Proprietățile solului luate în calcul pentru simularea efectuată de Xinguo Li, Jun Zhao și Qian Zhou
În urma simulării privind extracția căldurii din sol pe o perioadă de 7 zile, s-a constatat că scăderea temperaturii în argilă este rapidă, de 2,4°C/zi în primele 5 zile ajungând la 1°C/zi în a 7-a zi de funcționare.Nisipul și piatra de cuarț, din cauza conductivității termice mai ridicate, cedează căldura mai greu, temperaturile din acestea scăzând cu 10% în 30 de zile pentru nisip, respectiv 16% în 30 de zile pentru piatra de cuarț [16].
Pentru simularea de încărcare, după 5 zile, argila prezenta o temperatură de 27°C în timp ce temperatura nisipului era de 23°C iar cea a pietrei de cuarț de 20°C. Temperatura din argilă crește mai repede lângă schimbătorul de căldură din cauza căldurii specifice mari și rămâne în zonă din cauza conductivității termice reduse.
Un studiu privind stocarea energiei termice în sol umed, făcut de Luigi Schibuola, Chiara Tambani, Angelo Zarrella, Massimiliano Scarpa []privind o comparație între un sistem cu pompă de căldură și sistem normal de încălzire, răcire și porducere de apă caldă, cu referire la restaurarea unei clădiri istorice, Universitatea IUAV, din Veneția, Italia.În tabelul 11, sunt prezentate straturile solului din zona studiată. Se poate observa diferența densității și căldurii specifice față de tabelul 10, atunci când solul este umed.
Tabelul 11. Date privind straturile solului din zona Universității IUAV din Veneția [17]
Referitor la studiul privind un sistem cu pompă de căldură pentru Universitatea IUAV din Veneția, s-a constat că mărind adâncimea de stocare a căldurii de la 30m, la 70m, duce la o creștere a COP (coeficientul de performanță) cu 74%, în timp ce distanța dintre găurile de sondă de stocare din sol, nu are un impact asupra eficienței ce merită considerat.
O lucrare referitoare la stocarea energiei termice în sol, scrisă de Maeir Zalman Olfmana, Allan D. Woodburya, Jonathan Bartley [], prezintă un experiment făcut în campusul Fort Garry al Universității din Manitoba, din Canada, Winnipeg. Experimentul a constat în construirea unei stații de pompare a căldurii în sol, pentru măsurarea evoluției temperaturii de-a lungul găurii pentru schimbătorul de căldură pentru a evalua modelarea transferului termic în sol și dezvoltarea unui software pentru acesta. Pentru acest experiment s-au forat trei găuri până la adâncimea de 61m, o gaură de sondă pentru schimbătorul de căldură, iar la 1,4m de acesta, o a douagaură de sondă pentru a măsura temperatura în pământ iar al treilea la 2,8m față de primul tot pentru controlul temperaturii. Temperatura sub pământ a fost măsurată din 0,33m în 0,33m.Circuitul închis al schimbătorului de căldură din pământ folosește ca agent de lucru un amestec de 20% metanol și 80% apă cu antigel, iar cele două găuri de control folosesc un amestec de glicol-etilen și antigel în concetrație de 50 – 50. Puterea de pompare variază zilnic între 2559W și 3025W. Testele au fost făcute pe parcursul a patru săptămâni, prima etapă constând în două săptămâni de încărcarea căldurii în sol, iar a doua etapă în două săptămâni de descărcare a acesteia.
Acest experiment a dovedit în primul rând, că modelarea acestui sistem pe un soft, nu se potrivește cu datele experimentale. În primii 5m, s-a observat zilnic o variație a temperaturii de la 5°Cpână 6°C, acest lucru fiind din cauza radiației solare, care conform altor studii, ar pătrunde în pământ până la cel putin 3m. Secțiunea de la 5 la 61m adâncime, a fost împărțită în trei regiuni, de la 5 la 15m, formată din argilă, iar de la 15 la 61m, zona a fost împărțită în partea de sus și partea de jos, ambele părți având roci carbonatice de tip calcar și dolomită, dar cu proprietăți diferite între cele două zone.Partea de sus a stratului cu roci carbonatice a avut cea mai bună capacitate termică, temperatura în această zonă crescând de la sub 6°C până la aproape 6,3°C în 2 săptămâni la distanța de 2,8m față de schimbătorul de căldură, iar la 1,4m față de schimbătorul de căldură, de la sub 6°C, până la aproape 8°C, urmată de stratul argilos și apoi de stratul de jos al rocilor. Pânza freatică nu a fost luată în calcul, presupunându-se că aceasta putea să circule în perioada de 4 săptămâni numai 1,1m, ceea ce confrom autorilor, nu ar influența măsurătorile pe toată adâncimea. Este important de rețiunut că în stratul de sus al rocilor carbonatice conductivitatea termică este mai ridicată. Se poate observa acest lucru și pentru perioada de descărcare, această zonă ajungând după descărcare la temperatura inițială.
Sisteme pentru îmbunătățirea transferului termic între materialul de stocare a energiei termice și agentul de lucru
Îmbunătățirea transferului termic, se face deobicei prin mărirea suprafeței de transfer termic folosind diverse elemente de diferite forme, cilindrice, plăci, tije, aripioare, etc..Un sistem simplu de transfer termic, îl reprezintă cel din fig. 15, unde agent de lucru fierbinte curge prin conducte care stau în materialul de stocare.
Fig. 15. Sistem de stocare a energiei termice cu conducte pentru îmbunătățirea transferului termic
Altă metodă de îmbunătățire a transferului termic reprezintă alegerea unui material potrivit pentru conducte sau pentru elemente adiționale ce măresc suprafața de transfer. Aceste materiale trebuie să fie compatibile din punct de vedere chimic și fizic cu agentul de lucru, cu materialele din care sunt făcute conductele și cu materialul de stocare a energiei termice.Materialele cele mai folosite la ora actuală pentru îmbunătățirea transferului termic sunt grafitul și aluminiul.
Pentru îmbunătățirea transferului de căldură, în locul folosirii materialelor cu conductivitate termică mare, se poate folosi un schimbător de căldură. Un sistem de stocare a enegiei termice dezvoltat pentru colectoare parabolice solare în care uleiul sintetic este încălzit până la 400°C, folosește agent de lucru pentru a transfera căldura dintre materialul de stocare și schimbătorul de căldură prin efectul de evaporare la fierbere și condensare la reflux. Testele de laborator arată că acest sistem ar avea conductivitatea termică totală de aproximativ 500Wm-1K-1 performanță comparabilă cu cea a termosifoanelor [3].
Parametri studiați privind îmbunătățirea transferului termic în sistemele de stocare a energiei termice includ dimensiunile conductelor, distanța dintre acestea, precum și dimensiunea suprafeței desfășurate, dimensiunile sistemului de stocare și căderea de presiune din acesta.
O configurație care folosește conducte încastrate cu transfer termic ridicat, este prezentată în fig. 16. Acest sistem transferă căldura dintre agentul de lucru și materialul cu schimbare de fază, prin evaporarea și condensarea la capetele conductei, a agentului de lucru [3].
Fig. 16. Transfer termic între agent termic și material cu schimbare de fază prin conducte termice [3]
Două configurații de sisteme de transfer a energiei termicefolosite,sunt prezentate în fig. 17, unul ce folosește material cu schimbare de fază ce se află în jurul uni tub care transportă agentul de lucru și al doilea cu material de schimbare de fază, izolat într-un tub peste care curge agentul de lucru. A fost demonstrat faptul că adăugarea de conducte termice îmbunătățește performanța termică a sistemului [3].
Fig. 17.Sisteme de transfer a energiei termice [3]
Tot pentru îmbunătățirea transferului termic, în cazul materialelor anorganice pentru stocarea energiei termice cu schimbare de fază, materiale ce au o conductivitate termică redusă, acestea se pot amesteca cu pulberi din alte materiale cu conductivitate termică mare pentru a îmbunătăți acest parametru.
Analiza economică a sistemelor de stocare a energiei termice
Pentru a lua decizia de a include un sistem de stocare a energiei termice într-o centrală, trebuie luate în considerare condițiile de încărcare, nepotrivirile dintre încărcări și resursele disponibile, strategia de operare a centralei, disponibilitatea spațiului pentru acest sistem și mărirea suprafeței câmpului de colectare a energiei solare. Toate acestea crescând costurile de finanțare, costuri care la randul lor au un impact asupra prețului de producere a energiei și a recuperării investiției.
Într-un sistem de stocare a energiei termice, materialul de stocare reprezintă aproape 50% din costul sistemului. În cazul sistemelor de stocare ce funcționează la temperaturi înalte, costul sării pentru stocarea energiei nu poate fi evaluat, spre deosebire de metale sau petrol care se comercializează pe piețe internaționale, sarea de stocare fiind produsă la nivel regional, producătorii fiind puțini si putând stabili prețul. De asemenea prețul materialului de stocare variază în funcție de tipul sării, în funcție de nivelul de puritate și de producători. La prețul sării se adaugă prețul de transport, prețul energiei necesare topirii acesteia, dacă aceasta va fi folosită în stare lichidă, precum și costurile privind manevrarea sării.
Alte costuri ridicate sunt datorate schimbătoarelor de căldură pentru încărcarea și descărcarea sistemului, precum și pentru spațiul ocupat de sistemul de stocare.
Evaluarea ciclului de viață a sistemului de stocare, constă în aprecierea impactului asupra mediului pe toată perioada de viață a acestuia (de la extragerea materialelor pentru fabricarea rezervorului, sării de stocare, schimbătoarelor de căldură, prin perioada de folosire și reparații inclusiv reciclarea sau eliminareasistemului)[3].
Eforturile cercetărilor actuale în zona stocării energiei termice se bazează pe căutarea de noi tehnologii care pot reduce costul mediu de stocare a energiei termice de la 0,05$/kWh, la 0,01$/kWh până în 2020 [].
Aplicații privind sistemele de stocare a energiei termice în sol
Un studiu privind influența sistemului de stocare a energiei termice cu două rezervoare, într-o centrală solară ce folosește pentru colectarea energiei solare un câmp cu oglinzi parabolice, a fost făcut de Price și Kearney []. Aceștia au simulat un model de centrală cu și fără sistem de stocare a energiei termice. Centrala de referință folosită a fost SEGS IV, din deșertul Mojave, California. Ea folosește abur la presiunea de 100 bari și temperatura de 371°C. Performanța anuală a câmpului solar folosit de centrală, e de 50MWe pe an. Pentru această centrală, simularea arată că implementarea unui sistem de stocare a energiei termice are următoarele avantaje:
sistemul de stocare a energiei termice îmbunătățește performanța anuală solar-electrică de la 12,4% pănâ la 13,2%, în schimb scade temperatura aburului din instație, reducând eficiența ciclului cu abur de la 37,9% până la 37,5%;
reducerea pierderilor la pornirea turbinei în perioadele intermitente;
costul mediu al energiei anuale produse scade cu aproximativ 10%, de la 0,17$/kWh, la 0,14$/kWh (studiul a fost făcut în 2002, prețurile estimate fiind actuale pentru perioada respectivă);
pierderile electrice sunt micșorate datorită sistemului de stocare, care uniformizează funcționarea centralei.
Trebuie de notat faptul că dimensionarea sistemului de stocare a energiei termice, trebuie să fie dimensionat astfel încât centrala să poată opera continuu fără pierderi de energie. Pentru a integra sistemul de stocare în centrală, tehnicile de optimizare se obțin prin simulări pe calculator, pentru a ajuta la dezvoltarea strategiei de operare.
Solar Advisor Model (SAM), este un program de modelare dezvoltat de National Renewable Energy Laboratory. SAM poate modela puterea la ieșire în fiecare oră a panourilor fotovoltaicelor (PV), panourilor fotovoltaice concentrate (CPV) și centralelor solare, pentru diverse locații. Pentru o centrală solară, SAM modelează câmpul solar, unitatea de stocare a energiei termice și blocul de putere pe o bază orară pentru a prezenta performanțele anuale. Acest cod poate folosi valorile normale sau valori definite pentru a calcula producția de energie, costurile capitale și costul mediu al energiei electrice produse. SAM are de asemenea capacitatea de a optimiza centrala solară cu sistem de stocare a energiei termice astfel încât poate fi comparat cu costul mediu de producere a energiei electrice de la o centrală solară cu o centrală de putere electrică normală[3].
Un alt program, TRNSYS (Transient System Simulation) este un program secvențial modular de tranziție dezvoltat de Solar Energy Laboratory al Universității Wisconsin. Codul sursă fiind scris în Fortran. TRNSYS are un număr mare de componente ale centralelor care pot fi utilizate ca detaliu în proiectare pentru simulări orare a unui sistem cu energie solară pentru un an întreg. Modelele componentelor care sunt empirice sau analitice, descriu performanța acestora cu ecuații algebrice și/sau diferențiale [3].
Prezența sistemului de stocare a energiei termice în centrală va afecta performanța finală a centralei atât termic cât și economic. Câteva constrângeri importante de proiectare trebuie îndeplinite, astfel încât sistemul de stocare să poată fi integrat în centrală. De asemenea, în funcție de componentele folosite în centrală și de cerințele termodinamice, eficiența centralei variază. Pentru eficiență mai mare, centrala trebuie să fie capabilă să ajungă la temperaturi mai mari, iar sistemul de stocare trebuie să poată stoca energia la temperaturile necesare și să fie compatibil cu celelalte componente din punct de vedere termodinamic, fizic și chimic [3].
Pentru aplicațiile rezidențiale, un studiu făcut de Recep Yumrutaș și Mazhar Unsal [], prezintă analiza energetică și modelarea în TRNSYS, a unei pompe de căldură ce funcționează la randamentul ciclului Carnot, asistată solar, cu stocare a energiei termice într-un rezervor îngropat în sol, iar ca material de stocare și agent de lucru se folosește apa.Se presupune că rezervorul de stocare este sferic, iar energia necesară pentru încălzirea unei locuințe pe timp de iarnă este de 10kW pentru o suprafață de 100m2.Studiul a fost făcut pentru o zonă din Turcia, Gaziantep. Schema sistemului este cea prezentată în fig. 18.
Fig. 18. Sistem de încălzire a locuinței cu pompă de căldură și stocare termică în rezervor îngropat [21]
În acest studiu au fost analizate trei tipuri de sol în care să fie îngropat rezervorul, dimensiunea rezervorului pentru un coeficient de performanță cât mai ridicat, suprafața colectorului de enegie solară. S-a constatat că eficiența atinge un maxim în perioada de 5 – 7 ani, în primul an, temperatura maximă în rezervor înregistrându-se în luna septembrie, de aproximativ 26°C, iar dupa anul al 5-lea, temperatura în aceeași lună ar ajunge la aproape 40°C. Cel mai eficient tip de sol pentru a îngropa rezervorul s-a constat a fi cel grosier, în timp ce granitul e cel mai ineficient. Eficiența pompei de căldură nu influențează foarte tare temperatura din rezervor, aceasta variind între 37°C și 42°C, la eficiențe de la 30% până la 50%. Pentru suprafața colectorului solar, s-au analizat suprafețe de 20m2, 25m2 și 30m2, cea mai eficientă fiind cea de 30m2, iar cel mai eficient volum al rezervorului de stocare, ar fi de 300m3[21].
O problemă cauzată de stocarea căldurii în sol, o reprezintă degradarea solului, dacă se extrage o cantitate mai mare de căldură decât cea stocată, astfel temperatura din sol scăzând de la an la an, ea neavând timp să se regenereze, lucru care duce la scăderea eficienței pompelor de căldură.Soluțiile privind această problemă, ar fi mărirea numărului de găuri din sol sau spațiul dintre acestea pentru creșterea volumului de stocare termică. Acest lucru duce la creșterea costurilor și ocuparea terenului, dar nu scade complet problema pierderii temperaturii din sol. Altăsoluție ar fi integrarea unui sistem de încalzire pentru sol în pompa de căldură, cusistem solar sau cu combustibili fosili. Soluția aceasta duce la costuri mari din cauza întreținerii sistemului sau a combustibililor. O altă variantă vine din partea You, Baolong Wang, Wei Wu, Wenxing Shi, Xianting Li[], care au propus un sistem de compensare a căldurii din sol cu termosifon, acest sistem putând fi integrat în pompa de căldură. Sistemul a fost denumit HCUT (Heat Compensation Unit with Thermosyphon). Sistemul este compus dintr-un condensator, un evaporator, un compresor, o valvă de expansiune, o valvă automată cu trei căi, valvă solenoid și țevi de conexiune. Condensatorul și evaporatorul sunt supradimensionate pentru a putea avea capacitate de încălzire în modul termosifon. Fig. 19 prezintă schema de funcționare a sistemului HCUT.
Fig. 19. Schema sistemului HCUT [22]
(a) stocarea căldurii din aer în sol (b) modul pompă de căldură
Când diferența de temperatură dintre aerul ambiental și apa la ieșire din schimbătorul de căldură din pământ devine mai mare decât diferența de temperatură pentru pornirea termosifonului, HCUT funcționează ca un termosifon cu sura aer, pentru a stoca căldura din aer în sol.În acest mod compresorul este oprit, valva de expansiune închisă, iar valva cu trei căi deschide canalul de refrigerare, care este desenat cu linie groasă în fig. 19.a.
Conform teoriei termosifonului, diferența de temperatură duce la circularea agentului de răcire în instalație, apoi căldura este transferată din aerul ambiental în pământ. Pentru că în acest mod compresorul este oprit, HCUT are un consum mic, produs de ventilatorul evaporatorului. Când este necesar, HCUT poate trece în modul pompă de căldură, fig. 19.b. Acest mod se activează atunci când diferența de temperatură dintre aerul ambiental și apa la ieșire din schimbătorul de căldură din pământ este mai mică decât temperatura aerului ambiental. În acest mod, pornește compresorul, valva de expansiune se deschide, iar valva cu trei căi se mută pe canalul de refrigerare, care este prezentat cu o linie groasă în fig 19.b.
În fig. 20, este prezentat modul de intregrare a sistemului HCUT în sistemul pompei de căldură cu stocarea energiei termice în sol.
Fig. 20. Modul de integrare HCUT în pompa de căldură [22]
O simulare a acestui sistem a fost făcută în TRNSYS, unde a fost evidențiat faptul că această unitate are un cost de producere a energiei termice mai mic decât o pompă de căldură cu panouri solare, pe o perioadă de 30 de ani.Pe perioadele reci, când pompa de căldură funcționează, temperatura în sol poate scade cu aproape 9,5°C, asta reducând coeficientul de eficiență a pompei de căldură de la 3,82, până la 2,68. Pentru sistemul pompă de căldură – HCUT, temperatura în sol este menținută aproximativ constant, iar coeficientul de performanță a pompei de căldură se află între 3,84 și 3,90[22].
Stocarea energiei termice se poate face și direct în apa din sol, în pânza freatică. Avantajul acestui model ar fi o densitate energetică crescută, transport mai rapid și costuri mai reduse în raport cu stocarea acestei energii în diferite tipuri de sol. După cum a fost prezentat anterior, în urma mai multor cicluri de descărcare/încărcare, e posibil ca energia geotermală să se degradeze și astfel să scadă eficiența pompei de căldură.
Pentru pompe de căldură cu compresia vaporilor (folosesc schimbarea de fază vapori – lichid), ce funcționează la temperaturi ridicate, un studiu făcut de C. Zamfirescu, I. Dincer și G. Naterer[], prezintă o evaluare a diferiți agenti de lucru ce ar putea îmbunătăți performanța. Ei au luat în considerare Bifenil (C6H5)2, Bifenil metan (C6H5)2CH2, Naftalina C10H8, Izochinolina C9H7N, Tetrabromura de titan TiBr4 și Tetraiodura de titan TiI4, studiind performanțele termodinamice la temperaturi de peste 400°C.Pompele de căldură au în general un coeficient de performanță mai mare de 2, ceea ce înseamnă că pot produce de două ori mai multă căldură decât energia electrică, asta ducând la scăderea consumului acesteia. Pompele de căldură de temperaturi ridicate pot fi folosite în aplicații diverse, cum ar fi pasteurizare, distilare, generarea de abur, uscarea hârtiei, etc..
Cele mai avantajoase substanțe pentru a fi folosite ca agent de lucru într-o pompă de căldură de temperatură ridicată, au fost Tetrabromura de titan și Tetraiodura de titan, acestea prezentând un coeficient de performanță mai mare de 3 și temperatura maximă de lucru de 650°C[23].
Conform Timo Döscher și Philipp Thies [], la adâncimi de 1,5 – 2,5km, temperatura internă a solului este de 250-340°C. În următorii ani sunt propuneri pentru forarea la 3,5 – 5km, pentru energie geotermală, în Islanda, în Krafla, Hengill, și Reykjanes. Temperatura aproximativă în interiorul solului în această zonă, se așteaptă să fie între 550 și 650°C. O modelare a unei centrale ce folosește energia geotermală dintr-o singură găură de forare, ar putea să producă 0,67m3/s de abur, aproximativ 2400m3 de abur într-o oră, din care s-ar putea produce 40-50 MWe într-o oră. Căldura internă a pământului, provine în principal din descompunerea radioactivă. Principalii izotopi responsabili de producerea căldurii interne sunt potasiu-40, uraniu-238, uraniu-235 și toriu-232, acești izotopi având o durată de viață de 1,25 miliarde, 4 miliarde izotopii de uraniu și respectiv 14 miliarde de ani, cei de toriu[].
Energia termică produsă în exces, poate fi transportată la consumatori. De ce mai multe ori, zonele industriale care produc căldură reziduală sunt departe de zonele ce au nevoie de această căldură. Din cauza aceasta diverse moduri de transport a energiei termice sunt în continuă dezvoltate.
Transportul energiei termice
Unul din modurile prin care se poate îmbunatăți eficiența unei centrale solare cu sistem de stocare a energiei termice, ar putea fi micșorarea pierderilor în timpul transportului energiei. Creșterea distanței de transport a energiei termice este necesară, datorită faptului că de cele mai multe ori, sursa de energie termică se află la distanță mare față de cerere.Există multă energie termică de calitate medie și slabă care se pierde, cum ar fi energia geotermală, căldură din fabrici industriale, energie solară, etc., aceasta rămânând nefolosită din cauza distanțelor mari de transport. Prin urmare, dezvoltarea de moduri noi de transport pe distanțe lungi a energiei termice de calitate inferioară și medie, poate ajuta la reducerea consumului acesteia.
Transportul clasic de energie termică se face sub forma căldurii latente sau sensibile și are un interval redus al temperaturii transportate, în general sub 300°C și pe distanțe de maxim 100km. Tehnologii noi de transport se află în prezent în cercetare, cum ar fi reacții chimice reversibile pentru transportul energiei termice de calitate superioară, materiale de stocare a energiei termice cu schimbare de fază (prezentate în secțiunea 4.2.), aliaje cu absorbție de hidrogen, etc., acest tip de energie putând fi transportat atâtprin conducte și cu ajutorul autovehiculelor. În general transportul energiei calorice poate avea loc prin reacții chimice catalitice reversibile. Reacțiile principale ce pot ajuta la transportul energiei sunt cele de reformare a metanului cu ajutorul aburului sau dioxidului de carbon și disociera și sinteza amoniacului []. Reacția chimică pentru reformarea metanului cu abur este:
Reacția de reformare a metanului cu abur este o reacție endotermică, care are și reacții adverse ușor exoterme:
După cum se poate observa din fig. 21, în acest proces este folosit heliu pentru a transporta căldura de la sursă pentru reformarea metanului. Amestecul de gaz format din hidrogen și monoxid sau dioxid de carbon este transportat prin conducte la consumatori. Odată ajuns la consumatori, prin metanare, gazul de sinteză eliberează căldură către aceștia. Produsul de metanare ce conține acum metan și abur, este transportat înapoi prin alte conducte și astfel este închis circuitul. Prin acest mod, energia termică este stocată în reacția de reformare a metanului și poate fi transportată la temperatura mediului. Reacția de reformare a metanului folosește adesea calizatori pe bază de Nichel sau Ruteniu. Temperatura de ieșire a heliului din reactor este de aproximativ 950°C, iar la consumatori ajunge abur cu o temperatură aproximativă de 530°C[26].
Fig. 21. Schema ciclului de conversie și transport a căldurii prin reformarea metanului
Reformarea metanului cu dioxid de carbon poate fi folosită și în cazul centralelor cu energie solară concentrată. Reacția de reformare a metanului fiind:
Iar reacția adversă:
Reformarea metanului cu dioxid de carbon este mai dezvoltată decât cea cu abur și este folosită pentru transportul căldurii pe distanțe de sute de kilometri, căldura fiind folosită pentru aplicații industriale sau generare de putere. Avantajul reformării cu dioxid de carbon față de reformarea cu apă, e dat de faptul că în proces nu este implicată evaporarea apei. Fig. 22 prezintă schema unei instalații de transport a căldurii prin reformarea metanului cu dioxid de carbon[26].
Fig. 22. Schema ciclului de conversie și transport a căldurii prin reformarea metanului cu dioxid de carbon
Reacția de disociere a amoniacului folosită pentru transportul energiei termice, este:
Avantajele acestei reacții se datorează faptului că nu există reacții adverse și reacția endotermă are loc la temperatura primită de la câmpul de colectare a energiei solare. Temperatura de disociere este de aproximativ 700°C, iar presiunea de 10MPa. Apoi, procesul de producție a amoniacului este foarte răspândit în lume, iar acesta poate fi stocat în același rezervor cu hidrogen sau azot fără ca acestea să se amestece, cu condiția ca amoniacul să fie ținut la saturație maximă și sub presiune. Dezavantajul e dat de entalpia scăzută a reacției, de 66,5kJ/mol, în comparație cu 247kJ/mol, în cazul reformării metanului cu dioxid de carbon [26].
Pentru transportul căldurii reziduale inferioare, a cărei interval de temperatură se află între 100°C și 200°C, încep să se dezvolte parcuri industriale care să livreze această căldură către utilizatori casnici, care nu au nevoie de o energie termică de calitate superioară. Astfel se reduce poluarea cu combustibili fosili și se previne încălzirea globală. Pentru transportul energiei termice inferioare, cea mai potrivită substanță este considerată metanolul, din cauza temperaturii de descompunere și pentru că este curat și ieftin. Reacția de descompunere a metanolului este:
Reacția metanolului are loc la o temperatură aproximativă de 150 – 200°C. Rezultatele unei simulări prezentate în lucrarea scrisă deQ. Maa, L. Luo, R.Z. Wangb și G. Sauce [19], arată că eficiența transportului pe o distanță de 30km, este de 53% folosind descompunerea metanolului, în timp ce transportul cu ajutorul apei sau aburului are o eficiență de 32%.
Pentru transport, energia termică inferioară, poate fi stocată și în materiale cu schimbare de fază, materiale prezentate și în secțiunea 4.2. La fel cum energia termică poate fi stocată în sisteme care folosesc căldura latentă, același tip de rezervoare pot fi montate pe camioane, trenuri sau vapoare, iar acestea pot transporta această energie oriunde. În Japonia au fost dezvoltate două tipuri de containere speciale pentru transportul căldurii. Materialele folosite pentru stocarea energiei sunt acetat de sodiu trihidrat, care are un punct de topire de 58°C și o căldură latentă de fuziune de 264kJ/kg, temperatura la care este furnizată căldura fiind de 50°C, și eritritol, cu un punct de topire de 118°C și o căldură latentă de fuziune de 340kJ/kg, temperatura de furnizare a căldurii fiind de 110°C [26].
Alt sistem pentru transportul energiei termice cu ajutorul vehiculelor ar fi pompă de căldură chimică instalată într-un container, sistem propus de Hironao Ogura. Acest sistem folosește reacții solid-gaz, reacțiile fiind alese în funcție de intervalul de temperatură dorit:
CaCl2 / H2O, pentru temperaturi de 60 – 80°C;
CaSO4 / H2O, pentru temperaturi de 100 – 200°C;
MgO / H2O, pentru temperaturi de peste 200°C.
Reacția chimică pentru un asemenea sistem, arată astfel:
Sistemul acesta permite variația temperaturii, ajustând presiunea în momentul livrării către consumator, este mai eficient decât sistemul cu materiale cu schimbare de fază și poate livra atât căldură cât și răcoare utilizatorilor[26].
Un studiu făcut de Su-Jong Yoon și Piyush Sabharwall[]prezintă distanța maximă pe care poate fi transportată energia termică pentru aplicații industriale. Au fost considerați următorii agenți de lucru: KClMgCl2, LiF-NaF-KF (FLiNaK), KF-ZrF4, heliu și apă, iar pentru simulare s-au ales următoarele condiții: diferența de nivel între intrarea și ieșirea din conducă este 0, materialul conductei ales este aliajul Hastelloy-N (aliaj nichel-molibden cu conținut scăzut de crom compatibil cu sărurile fluoride), conducta având grosimea de 0,031m și conductivitatea termică de 23,6Wm-1K-1 și rugozitatea de 0,045mm. Grosimea și conductivitatea izolației termice au fost considerate 0,1524m respectiv 0,1Wm-1K-1, iar coeficientul de transfer termic convectiv cu aerul ambiental, 50Wm-1K-1. Pierderile prin radiația căldurii au fost ignorate.Fig. 23 prezintă modelul de conductă folosit pentru simulare.
Fig. 23. Schema conductei de transport a energiei termice
Transportul energiei termice cu ajutorul sării lichide FLiNaK, la un debit de 100kg/s, ajunge la 51,29km. Distanța maximă de transport cu ajutorul acestei sări, a fost de 308,24km, folosind o conductă cu diametrul de 0,5m și un debit de 600kg/s. Pentru a obține acest debit puterea de pompare necesară a fost de 5,91MW. La mărirea diametrului conductei sau a debitului, distanța pe care poate fi transportată căldura ar fi scăzut.
Deși punctul de topire al sării KClMgCl2 este la 699K, temperatura minimă considerată a fost de 750K. Distanța maximă de transport e de aproximativ 194,91km, la un diametrul al conductei de 0,5m și un debit de 600kg/s. Puterea de pompare considerată a fost de 4,88MW.
În cazul sării lichide KF-ZrF4, a cărei punct de topire este la 663K, temperatura minimă de lucru a fost considerată tot 750K. Distanța maximă de transport a fost de 177,2km, diametrul conductei fiind de 0,5m, iar debitul de 600kg/s. Puterea maximă de pompare pentru transportul pe această distanță este de 1,04MW.
Heliul a fost comparat atât cu sărurile lichide, caz în care temperatura minimă a acestuia este de 750K, aceasta pornind de la 973K, cât și cu apa, caz în care temperatura minimă este de 400K, acesta intrând în conductă la temperatura de 573K. Distanța maximă de transport a căldurii de către heliu la 750K, este de 87,47km, la o putere a pompei de 226,5MW. Puterea de pompare necesară este atât de mare, din cauza vitezei de curgere a heliului de 88,96m/s, în timp ce viteza de curgere a unei sări lichide este sub 2m/s. În cazul temperaturii scăzute, de 400K, distanța maximă de transport a căldurii este de 218,2 km, iar puterea de pompare de 154,1MW. În ambele cazuri debitul considerat este de 60kg/s iar diametrul conductei de 0,5m.
Transportul energiei termice cu ajutorul apei, ajunge la o distanță de 1780,4 km, cu o putere de pompare de 74,8MW, debitul fiind de 600kg/s iar diametrul conductei de 0,5m, temperatura minimă a apei din sistem fiind de 400K, pornind de la 573K.
CAPITOLUL II. STOCAREA ENERGIEI TERMICE ÎN SOL
Considerații generale
Casele pasive, cu o bună izolație termică și etanșe față de mediul exterior, necesită sisteme de încălzire care să funcționeze la o temperatură de până la 50°C. Din acest punct de vedere, pompele de căldură reprezintă o soluție pentru încălzirea spațiilor de locuit sau industriale. Pompa de căldură are rolul de a muta energia termică în direcția opusă curgerii ei naturale, absorbind căldura de la un mediu rece și cedând-o către un mediu cald.În acest context, solul poate stoca temporar energie termică cu grad scăzut, care poate fi folosită în instalația de încălzire de către pompa de căldură.
Sistemele de stocare a energiei termice în sol, folosesc o pompe de căldură conectate la schimbătoare de căldură îngropate în sol. Acestea transferă energia termică solară din spațiul ce necesită răcit în sol, pe perioada de vară, iar pe perioada de iarnă scot căldura acumulată în sol și o trimit către spațiul ce necesită încălzit. Odată cu dezvoltarea acestor sisteme, se așteaptă o reducere a costurilor de încălzire și răcire, datorită faptului că energia termicănu va mai trebui produsă, aceasta fiind colectată și apoi mutată dintr-o parte în alta.
Pompele de căldură se pot clasifica în două categorii. Există pompe de căldură cu circuit deschis, care folosesc apa subterană ca agent de lucru, fig. 24 și pompe de căldură cu circuit închis care folosește un agent termic pentru transportul căldurii, fig. 25[].
Fig. 24. Schema pompei de căldură cu circuit deschis
Tipul de pompă de căldură cu circuit deschis, fig. 24, este dependentă de stratul de apă din sol. Pompa de căldură folosește apa din pânza freatică, extrăgând energia termică din apă, iar apoi descarcă apa rece în pământ, deasupra pânzei freatice, pentru ca apa să preia căldura din sol până se întoarce în stratul de apă subteran.
Fig. 25. Schema pompei de căldură cu circuit închis
În cazul pompei de căldură cu circuit închis, căldura este extrasă din sol, folosind schimbătoare de căldură verticale, tip U, acestea fiind cele mai folosite la ora actuală. În cazul în care solul nu este bogat în energie geotermală, pompa de căldură are rolul de a încălzi solul în perioadele în care energia termică nu este necesară, pentru a o folosi ulterior. Acest proces are rolul de a preveni degradarea termică a solului.
Pompa de căldură ce folosește ca mediu de stocare a energiei termice solul, în general în general conțin un electro-compresor care ia parte în procesul de evaporare, compresie, condensare și destindere[43]. În fig. 26 este prezentată schema generală a unei pompe de căldură folosită în instalațiile prezentate.
Fig. 26. Schema generală a unei pompe de căldură folosită în instalații cu stocarea energiei termice în sol[43]
Stocarea energiei termice în sol
În lucrarea [29], privind determinarea difuzibilității termice a solului, pornind de la temperaturile din pământ, când vine vorba de stocarea energiei termice în sol, cea mai importantă variabilă a acestui sistem, îl reprezintă conductivitatea termică a solului, notată cu λ. Conductivitatea termică este dată de raportul dintre difuzibilitatea termică și produsul dintre densitate și căldură specifică. Relația de calcul este []:
unde:
λ – conductivitatea termică a solului[Js-1m-1K-1];
α – difuzibilitatea termică a solului[m2s-1];
ρ – densitatea solului [kg/m³];
Cp – căldura specifică a solului [J/(kg·K)].
Un studiu făcut de Steven R. Evett, Nurit Agam, William P. Kustas, Paul D. Colaizzi și Robert C. Schwartz publicat în Avansuri în resurse de apă (Advances in Water Resources), prezintă partea teoretică pentru stabilirea principalelor proprietăți ale solului [15].
Conductivitatea termică, conform studiului celor menționați mai sus, se determină în funcție de conținutul de apă, la orice valoare a densității solului și este legată de difuzibilitate, astfel [15]:
(34)
unde:
λ – conductivitatea termică [Js-1m-1K-1];
α – difuzibilitate [m2s-1];
Cv – capacitatea termică volumetrică [Jm-3K-1].
Capacitatea termică volumetrică putând fi calculată, fără erori, din cantitatea de apă ce se află într-un anumit volum și densitatea solului [15]:
(35)
unde:
ρs – densitatea solului [Mg·m-3];
θ – conținutul de apă [m3·m-3].
Ecuația se referă la un sol mineral cu densitatea particulelor de 2,65Mg·m-3 și cu materie organică neglijabilă [15].
Conducția termică a solului, pe o dimensiune este dată de ecuația de difuzibilitate [15]:
În ecuația (36), se presupune că Cv și λ sunt constante, iar variabilele sunt z, care reprezintă adâncimea în sol, T, temperatura și t, timpul[15].
Fluxul termic în sol, G, pentru un mediu omogen se poate calcula cu relația [15]:
(37)
unde:
z – cota de adâncime [m].
Sistemul constă în sol și este tratat ca fiind o sferă infinită, cu mediu omogen, cu limită plană pe direcția de curgere a căldurii, iar temperatura de la suprafața solului, variază în funcție de anotimp și perioada din zi[29].
Legea de transfer termic în sol, prin conducție, este dată de ecuația generală a lui Fourier, în care difuzibilitatea termică a mediului este omogenă [29]:
Unde, T = f(x,t), este temperatura la timpul t, la poziția P(x,y,z), iar α este difuzibilitatea termică a solului[29].
Considerând căldura ca fiind unidimensională, atunci
Astfel rezultă din ecuația (38) și ecuația (39):
Temperatura de la suprafața solului variază după funcția armonică sinusoidă:
Unde,
În care:
τ – perioada de oscilație a temperaturii[s];
Când se face analiza variației de temperatură pentru perioada de o zi, τ = 24h = 86.400 s, iar pentru un an, τ = 365 zile = 8760 ore = 31.536.000 s.
Iar A0 reprezintă amplitudinea fluctuației temperaturii, A0 fiind:
Tmax și Tmin – temperatura maximă și minimă ale ciclului unei zile sau unui an [K].
ϕ0–faza temperaturii de suprafață, care este în legătură cu timpul de pornire.
Din ecuațiile de mai sus, putem concluziona că principalii parametri care trebuie considerați în calcului stocării energiei termice în sol, sunt T temperatura [K],λ conductivitatea termică [Js-1m-1K-1], Cv capacitatea termică volumetrică [Jm-3K-1], ρs densitatea solului [kg·m-3], θ conținutul de apă [m3·m-3] și z cota de adâncime [m].Din toți acești parametri, deobicei, temperatura este singurul măsurat.
În lucrarea lui Blasch, Kyle William[], care se referă la determinarea temperaturii și proprietăților solului bazate pe studiul interacțiunii apei subterane și apei de suprafață, este prezentat un grafic, fig. 27, care arată dependența capacității termice volumetrice și a conducției termice a solului, în funcție de cantitatea de apă din sol.
În figura 27, liniile întrerupte reprezintă capacitățile termice volumetrice calculate cu datele din tabelul 12. Punctele de pe grafic sunt determinări experimentale ale conductivității termice, de la DeVries (1966), în timp ce curbele de pe grafic sunt datele empirice ale conductivității termice[30].
Fig. 27. Dependența capacității termice volumetrice și a conducției termice a solului în funcție de cantitatea de apă din sol
Tabelul 12.Proprietățile termice ale materialelor – faze individuale [30,44]
Conductivitatea termică, λ, reprezintă cantitatea de căldură pe care un material o poate transmite în unitatea de timp. Conductivitatea termică în cazul solului, acesta fiind considerat un mediu poros, depinde de materia din care este compus. De exemplu particulele din sol cu aspect grosier, cum ar fi rocile, au o conductivitate termică mai ridicată decât cele cu aspect fin, de exemplu nisipul. În același timp solul conține și apă în cantități mai mici sau mai mari, iar conductivitatea termică depinde de acest conținut de apă din sol[30].
Difuzibilitatea termică, este dată de raportul dintre conductivitatea termică și capacitatea termică volumetrică. Difuzibilitatea termică este mărimea care indică cât de rapid se transmite prin material o schimbare a temperaturii. Unitatea de măsură este m2/s. Aerul de exemplu are difuzibilitatea termică ridicată, deși are conductivitate termică scăzută. Din cauză că aerul nu are capacitatea de a stoca căldură, modificările de temperatură au loc la viteză mare[30].
Densitatea intervine în creșterea capacității termice volumetrice. O densitate mare, reprezintă o capacitate termică volumetrică mai mare, în cazul în care căldura specifică este constantă, conform ecuației:
La ora actuală multe studii privind stocarea energiei termice în sol folosind pompe de căldură au fost realizate, fiind create modele care simulează căldura recuperată din sol. Diferența de temperatură dintre simulări și experimente a fost de 1,2°C, asta însemnând 8%, conform [], iar din aceste simulări este remarcată metoda lui Mirek Piechowski[], care a dezvoltat un model de simulare a căldurii recuperate din sol, care reduce timpul de simulare considerabil. Metoda lui Piechowski este prezentată în capitolul 2.2. Stocarea energiei termice în găuri de sondă.
Stocarea energiei termice în straturi acvifere
Sistemele de răcire cu pompă de căldură cu circuit închis sau deschis, ce folosesc apa subterană pentru a răci spații, sunt considerate cele mai eficiente și ecologice sisteme de răcire, pentru climatul temperat.
Eficiența stocării energiei termice în straturi acvifere, depinde de temperatura apei din sol. Cei mai importanți parametri pentru acest tip de stocare a energiei termice, sunt capacitatea termică, conductivitatea termică și conductivitatea hidraulică.
Există două tipuri de sisteme care se folosesc de apa subterană. Unul folosește apa subterană pentru a stoca energia termică în acesta, iar altul extrage apa din sol, apoi extrage căldura din apă, răcind apa și o intoarce în pământ. Un exemplu general de stocare a energiei termice în strat acvifer, este prezentat în figura 28. Se poate observa din această figură, importanța instalației de pompare, curgerea apei subterane, mecanismele de transport a căldurii convective și conductive, forțele de termosifonare dar și limitările impuse de forme geologice complexe [28].
Fig. 28. Exemplu general de stocare a energiei termice în strat acvifer
Un studiu pentru a crește eficiența pompei de căldură ce funcționează cu apă de suprafață a fost făcut de Yong Wang, Kelvin K.L. Wong, Qing-hua Liu, Yi-tao Jin, Jiyuan Tu [], sistemul este similar cu cel prezentat mai sus. Aceștia au încercat să crească eficiența pornind de la ideea că temperatura pe care o preia sistemul din apă, este influențată de viteza de admisie a apei în sistem, de geometria și dimensiunile sistemului de admisie și de cantitatea de apă care intră în sistem. Proiectul a fost făcut pentru încălzirea și răcirea unui spital din Chongqing, China, ce are o suprafață uitlă de 54.411m2. Ei au folosit apa dintr-un lac de acumulare, adimisa apei în sistem aflându-se la aproximativ 300m de spital,debitul de admisie a apei este de 700m3/h iar țeava de admisie are DN300. Admisia se află la o adâncime de 4-6m față de suprafață și la 160m față de scurgere. O imagine a proiectului este în fig. 29.
Proiectul prezentat [33] a pornit de la următoarele date: debitul apei în admisie va fi de 700m3/h, temperatura aerului este de 37°C, temperatura din lac la adâncimea de 1-3m este de 34°C, la adâncimea de 3-4m, 27°C, la 4-5m, iar după adâncimea de 5m, temperatura apei este de 22°C. Pentru admisia apei au fost considerate următoarele dimensiuni ale țevii și a vitezelor curgere: DN300, 2,75m/s; DN350, 2m/s; DN500, 1m/s. Au fost luate în calcul trei tipuri de sisteme, cu admisie cu o singură țeavă, cu admisie liniară și cu admisie cu mai multe țevi. Acest studiu arată că modul de admisie a apei, geometria și dimensiunile sistemului, dar și viteza apei, influențează temperatura apei cu doar 2,9°C mai scăzută, în cazul sistemului de admisie liniar, față de sistemul de admisie cu o singură țeavă și cu 1,61°C față de sistemul de admisie cu mai multe țevi.
Fig. 29. Planul proiectului din Chongqing, China
Un alt studiu privind stocarea energiei termice în straturi acvifere a fost făcut de Stefano Lo Russo, Glenda Taddia, Giorgia Baccino, Vittorio Verda, [], pentru răcirea clădirilor Univeristății din Torino, Italia, folosind gărui de sondă existente și o pompă de căldură cu circuit deschis. Au fost luate în considerare trei variante: pompă de cădură cu circuit deschis, a doua cu pompă de căldură și stocare a apei răcite în rezervor și a trei a, pompă de căldură și rezervor de stocare subteran. Perioada de funcționare a pompei de căldură este de la ora 9 am, ajungând la o putere necesară maximă de 470kW la ora 2 pm și se oprește la 7pm. Pompa de căldură trebuie să țină temperatura interioară a clădirii la 25°-26°C. Puterea de răcire este dată de de o pompă de căldură cu puterea nominală de 600kW și un coeficient de performanță de 5,1. Ca agent de lucru pompa de căldură folosește R134a.
Pentru varianta cea mai simplă, pompa de căldură folosește apa din sol pentru răcirea clădirii. Astfel cantitatea de apă admisă și evacuată va fi egală, iar temperatura apei la evacuare va fi de 30°C. Acest sistem va porni pompa la capacitate maximă atunci când este necesar.
Un alt sistem care are rolul de a ține pompa de căldură pornită în sarcină parțială, este cel cu stocarea apei reci în rezervor, prezentat în partea de jos a figurii. 30. Când producția este mai scăzută decât cererea, apa rece stocată este folosită de către pompa de căldură la un loc cu apa rece extrasă. Pentru acest sistem necesarul de apă stocat este de 210m3, iar rezervoarele ajungând la 80.000 euro, fără a se ține cont și de costul pentru spațiul de montare a lor [34].
Fig. 30. Schema pompei de căldură cu apă subterană
Aceleași avantaje le are și sistemul cu stocarea apei în rezervor subteran, înaintea schimbătorului de cădură din pompă. Sistemul ar funcționa exact ca sistemul inițial, doar că debitul de apă extras, ar fi constant. Când cererea pentru răcire este scăzută, apa subterană este stocată, fiind folosit rezervorul din partea de sus a figurii 30, iar apa caldă din rezervor este injectată în sol. Avantajul acestui sistem îl reprezintă debitul constant de alimentare a instalației și de golire. În primul caz, debitul este variabil, acesta modificându-se în funcție de operarea pompei de căldură. Volumul necesar rezervorului de stocare a apei este de 70m3, iar costurile acestui rezervor se ridică la aproximativ 30.000 euro [34].
Pentru evaluarea efectelor pompei de căldură asupra mediului subteran, în proiect [34], a fost făcută o simulare folosind programul FEFLOW. Acest program are la bază trei ecuații de conservare a momentului, masei și energiei pentru particule solide, lichid și gaz.
Ecuația de conservare a masei este:
Ecuația de conservare a momentului este:
Ecuația de conservare a energiei este:
Unde:
α –este fiecare fază în parte, ca apa lichidă, apa vapori, particule solide din sol;
εα – raportul volumic pentru fiecare fază α, (0≤ εα ≤ 1);
ρα – densitatea fazei α [kg/m3];
vi – vectorul de viteză a fazei α [m/s];
kij – tensorul de permeabilitate [m2];
μ – vâscozitatea [kg/(ms)];
Qρ – termen generaror de masă;
QT – termen generator de energie;
jαiT – fluxul termic.
Sistemul de pompă de căldură cu rezervor de stocare a apei reci, reduce costurile cu energia electrică cu 10%, acest lucru datorându-se creșterii eficienței pompei de căldură atunci când aceasta funcționează în sarcini parțiale. Sistemul de stocare a a apei reci în rezervor subteran are costuri de implementare mai reduse, dar nu aduce beneficii consumului de energie primar[34].
Un o altă lucrare,[] din Collegno, la 4km vest de Torino, Italia, prezintă un sistem de răcire cu pompă de căldură cu circuit deschis indirect pentru un magazin de mobilă IKEA. Proiectul dezvoltat impreună cu autoritățile de mediu din zona Piemonte, are ca scop implementarea unui sistem de pompe de căldură folosite pentru răcire și încălzire, care să fie acționate electric cu energie produsă în principal de panouri fotovoltaice. Acest sistem ar avea un avantaj major în reducerea emisiior de CO2 din zona respectivă.
Ambele lucrări prezentate pentru Universitatea din Torino [34] și IKEA [35] sunt din aceeași zonă.
Am considerat necesară și menționarea proiectului pentru IKEA [35], deoarece aduce informații suplimentare proiectului privind Universitatea din Torino [34], în legătură cu datele introduse în analiza făcută cu FEFLOW. În proiectul pentru IKEA au fost considerate următoarele date privind proprietățile solului din zona respectivă:
capacitatea termică volumetrică a fluidului din sol, este estimată la 4,2·106 J/(m3·K);
capacitatea termică volumetrică compușilor solizi din sol este estimată la 2,52·106 J/(m3·K);
conductivitatea termică a fluidului din sol este estimată la 0,65 J/(m·s·K);
conductivitatea termică a solidului din sol este estimată la 3 J/(m·s·K);
dispersivitatea termică longitudinală este considerată a fi între minim 5m și maxim 100m;
dispersivitatea termică transversală este considerată a fi între minim 0,5m și maxim 15m.
Proiectul prezintă posibilitatea implementării sistemului de răcire pentru clădire, avantajele fiind scăderea emisiilor de CO2 prin arderea combustibililor fosili pentru producerea energiei necesare răcirii. Pentru încălzirea clădirii, acest sistem nu este unul eficient, datorită faptului că apa din sol are dispersivitate termică ridicată, ceea ce duce la necesitatea unui sistem suplimentar de incălzire.
Stocarea energiei termice în găuri de sondă
Sistemele care stochează energiatermică în sol, dar nu folosesc stratul acvifer al solului, sunt alcătuite dintr-o pompă de căldură care mută energia termică reziduală în pământ, folosind un sistem de țevi cu circuit închis prin care circulă un agent termic, iar în pământ au un schimbător de căldură care cedează căldura transportată de agentul termic în sol.
În majoritatea cazurilor, agentul termic (glicol sau soluție sărată), este folosit pentru a extrage căldura din sol, pe perioada de iarnă. Pe perioada de vară agentul termic cald este pompat prin țevi către schimbătorul de căldură din sol unde cedează căldura. Procesul de încălzire a solului este necesar deoarece previne degradarea termică a solului. Un sistem care previne degradarea termică a solului a fost prezentat în capitolul I, pct 7.
O lucrare făcută de Changxing Zhang, Zhanjun Guo, Yufeng Liu, Xiaochun Cong, Donggen Peng, în lucrarea cu numele „A review on thermal response test of ground-coupled heat pump systems” [], are ca scop prezentarea proprietăților termice ale solului la adâncime între 10 și 50m. Conform lucrării, principalele caracteristici care influentează stocarea energiei termice în sol, sunt conductivitatea termică a solului, λ și rezistența termică a găurii de sondă.
Pentru a proiecta un sistem de stocare a energiei termice în sol, trebuie să cunoaștem temperatura solului și compoziția acestuia din zona unde se va realiza stocarea. H.-F. Zhang, X.-S. Ge, H. Ye, D.-S. Jiao,în lucrarea„Heat conduction and heat storage characteristics of soils” [], prezintă solul ca fiind o structură spațială ce conține materiale solide, lichide și aer, ca în figura 31.
Fig. 31. Schema structurii spațiale a solului [37]
Avantajul schemei prezentate, este dată de faptul că organizarea aleatorie a particulelor și simularea pe calculator este ușor de implementat. Pornind de la proprietățile solului și temperatura interioară a acestuia, se pot aprecia matematic conductivitatea termică a solului, λ și difuzibilitatea termică.
Conform lui Huajun Wang și Chengying Qi, [], în sol există mai multe zone de variație a căldurii. În prima zonă, care ajunge la o adâncime de 3 – 5m, temperatura din sol suferă schimbări odată cu schimbările climatice. A doua zonă, aflată între 5 și 20 m, este zona în care solul se află la temperatura medie anuală înregistrată în atmosferă, iar dupa 20 m adâncime, se află zona a treia în care temperatura din sol este deja constantă.
Pentru a determina temperatura din sol, mai mulți factori trebuie considerați. Aceștia sunt structura solului și proprietățile fizice ale acestuia, stratul de acoperire a solului pietriș, beton sau vegetație, dar și condițiile climatice (temperatură, vânt, radiațiile solare, umiditate relativă, etc.). Un model matematic care prezice temperatura din sol, în funcție de conducția termică în mediu semi-infinit solid, iar temperatura de la suprafața solului care variază periodic în timp este[38]:
(48)
iar
unde:
t –temperatura [°C];
tm – temperatura medie [°C];
x – adâncimea de măsurare a temperaturii [m];
Kv–coeficientul de vegetație [ – ], depinde de densitatea vegetației;
As–supfarața de contact dintre schimbătorul de căldură și sol [m2];
α – difuzibilitatea termică [m2/s].
O altă metodă de determinare a temperaturii din sol [], a fost propusă de Kasuda și Archenbach. Această ecuație analitică este folosită în prezent de programele TRNSYS și RETScreen.
Ecuația este prezentată ca o funcție ce ține cont de timpul din an și de adâncimea în sol.
Unde:
T – temperatura [K];
Tz=0 – temperatura la suprafața solului [K];
As – amplitudinea temperaturii de la suprafață [K].
z – cota de adâncime [m]
a – difuzibilitatea termică [m2/s]
tprez – ziua din an în care se face măsurătoarea [-];
tschimb – ziua din an care corespunde temperaturii minime înregistrate la suprafața solului [-].
Temperatura măsurată în sol, s-a demonstrat ca este mai mică decât cea estimată prin modelare, diferența fiind de 1,5°C după adâncimea de 7m și stabilizându-se la o diferență mai mică de 1°C până la adâncimea de 46m. Diferența se explică prin neomogenitatea solului și mișcările apei din pânza freatică [39].
Un experiment și o modelare matematică privind influența apei pluviale asupra parametrilor fizici ai solului au fost făcute de Mostafa Mohameda, OmarElKezza, MohamadAbdel-Aal, Alma Schellart, SimonTait, [48]. Experimentul a fost făcut pornind de la un rezervor cub cu latura de 1m, care a fost umplut cu nisip de diferite granulații, cea mai fină de 0,18mm, fiind în partea de jos a rezervorulu, cea mai mare de 0,27 în partea de sus, iar în mijlocul cubului a fost introdus în nisip un schimbător de căldură orizontal, cu dimensiunea țevilor de 13,8m, și o suprafață de 650mm x 850mm, având o capacitatea de răcire de -32°C.
Testele efectuate în nisipul uscat, care se afla la o temperatură de 20°C, au avut loc la debite diferite ale agentului termic de 3,23l/h, 6,25l/h și 12,5l/h. S-au făcut teste și cu nisip umed, la nivele diferite ale apei din rezervor 300mm, 500mm și 700mm. A mai fost făcut un test care a simulat precipitațiile. Precipitațiile au ținut 2 ore, cu precipitații de 8,25mm/h, 12,8mm/h și 21,6mm/h iar testul de extragere a căldurii s-a desfășurat pe o perioadă de 36 de ore până la atingerea unei stări de echilibru. Rezultatele testelor au arătat că pentru extragerea temperaturii din nisip uscat, cel mai avantajos e un debit scăzut al agentului termic, debitul de 3,23l/h având o diferență de temperatura de intrare și cea de ieșire de 6,48°C, cea mai mică diferență a temperaturii, de 2,06°C, fiind la debitul cel mai mare.. De asemenea, cea mai mare diferență de temperatură a agentului termic la intrare și ieșire, de 9,02°C, a fost pentru un nivel al apei din rezervorul cu nisip de 700mm, iar pentru nivelul de 300mm, diferența de temperatură a fost de 5,99°C. Pentru simularea precipitațiilor o diferență a temperaturii de 8,01 pentru precipitațiile la debitul cel mai mare, iar la debitul cel mai mic diferența dintre temperatura agentului termic la intrare în schimbătorul de căldură și la ieșire a fost de 7,27°C.
Din aceste experimente putem constata că o umiditate crescută a umidității solului duce la o conductivitate termică mai crescută și o capacitate termică volumetrică mai ridicată. Dezavantajul umidității termice crescute este dată de disiparea căldurii în sol. Trebuie astfel găsit un echilibru între conținutul de apă din sol, difuzibilitatea termică și conductivitatea termică, pentru a ajunge la o stocare eficientă. De asemenea trebuie găsită o variantă pentru schimbătoarele de căldură eficiente pentru încărcarea și descărcarea eficientă a căldurii din sol.
Schimbătoare de căldură
Schimbătoarele de căldură fac legătura dintre sistemul de stocare al energiei termice, în cazul nostrul fiind solul, și pompa de căldură. Schimbătoarele de căldură cele mai des utilizate pentru pompe de căldură cu circuit închis, sunt cele tip U sau coaxiale, verticale și orizontale.
Proiectarea schimbătoarelor de căldură trebuie să fie făcută în funcție de cantitatea de energie pe care aceste trebuie să o cedeze și să o absoarbă din sol. Partea dificilă în acest proces constă în predictibilitatea influenței solului asupra schimbătorului de căldură, mai exact rezistența termică de contact dintre sol și schimbătorul de căldură [].
Două lucrări scrise de Richard A. Beier[,], în care este analizată conducția termică tranzitorie în schimbătoare de căldură tip U și schimbătoare de căldură coaxiale pentru stocarea energiei termice în sol.
Modelul dezvoltat pentru schimbătorul de căldură tip U [41], începe prin rezolvarea ecuațiilor de conservare a energiei pentru agentul termic din schimbătorul, rezolvare care se efectuează în paralel cu ecuațiile de transfer termic pentru materialul de umplere din schimbătorul de căldură și pământ cu transformările Laplace. Soluția analitică din domeniul Laplace este inversată numeric folosind algoritmul Stehfest. Soluția include capacitatea termică a fluidului și a materialului de umplere, ceea ce permite simulări pe termen scurt și lung. În modelare se calculează profilele temperaturii tranzitorii verticale în agentul termic și distribuția temperaturii în materialul de umplere și sol.
Simularea a fost făcută pe un model ca cel prezentat în fig. 32. Schimbătorul de căldură tip U, este aproximat ca fiind format din două jumătăți de țeavă, iar în calcule este folosită o rază echivalentă pentru fiecare jumătate de țeavă. Materialul de umplere a găurii în care se află schimbătorul de căldură și solul sunt luate separat în calcul, cu proprietăți termice diferite. Transferul termic în direcție axială este neglijat. Indicii 1 și 2, reprezintă mișcarea de coborâre a agentului termic către schimbătorul de căldură, respectiv urcarea acestuia[41]. În cazul schimbătorului de căldură dublu U, acesta conține două schimbătoare de căldură tip U, în aceeași gaură de sondă, schimbătorul de căldură va fi aproximat împărțind secțiunea în patru.
Fig. 32. (a) secțiune transversală prin schimbătorul de căldură tip U (b) modelul pentru schimbătorul de căldură tip U [41]
Diferența dintre schimbătorul de căldură tip U și cel coaxial, din punct de vedere al modelării nu are diferențe prea mari, din acest motiv, acestea vor fi prezentate în paralel. Secșiunea tranvesală prin schimbătorul de căldură coaxial, este prezentată în fig. 33[42].
Fig. 33. Secțiune transversală prin schimbătorul de căldură coaxial [42]
Ecuațiile de modelare ale schimbătorului de căldură sunt enunțate folosind parametri și variabile adimensionale după cum urmează [41,42]:
Temperatura adimensională:
Raza adimensională:
Adâncimea adimensională:
Timpul adimensional sau numărul Fourier:
În care:
ks – conductivitatea termică a solului [W/(K·m)];
L – lungimea găurii de sondă [m];
Q – cantitatea de căldură introdusă [W];
T, Ts – temperatura, temperatura în sol [°C];
r, rD, req, reo – raza, raza adimensională, raza echivalentă, raza țevii exterioare [m];
z, zD – coordonata de adâncime verticală [m];
cs – capacitatea termică volumetrică a solului [J/(K·m3];
t, tD – timpul, timpul adimensional [s].
Pentru schimbătoarele de căldură coaxiale, req, va fi înlocuit cu reo, acesta reprezentând raza țevii exterioare.
La anumită adâncime, temperatura agentului de lucru din fiecare țeavă, va fi reprezentată de temperatura medie a secțiunii transversale de curgere. Bilanțul energetic pentru prima țeavă, în cazul schimbătorului de căldură tip U [41]:
Iar pentru schimbătorul de căldură coaxial [42]:
Unde:
Ns – conductanța termică adimensională a solului;
Hf – raportul capacității termice volumetrice a agentului termic;
AD – suprafața adimensională
Nw1 – conductanța termică a peretelui țevii 1;
TD1,2 – Temperatura adimensională pentru fluidul din țeava 1, respectiv 2;
TDg1 – Temperatura adimensională pentru materialul de umplere din jurul țevii 1.
Primul termen din ecuațiile (54) și (55) reprezintă schimbarea energiei fluidului odată cu adâncimea și timpul. Al doilea termen este dat de diferența de energie dintre intrarea agentului termic în schimbătorul de căldură și energia la ieșire din schimbător. Termenul al treilea, calculează transferul termic dintre fluidul din prima țeavă a schimbătorului de căldură tip U și a doua țeavă, iar in cazul schimbătorului de căldură coaxial, acesta calculează transferul termic al fluidului dintre țeava interioară și spațiul inelar. Al patrulea termen se întâlnește numai la schimbătorul de căldură tip U, acesta măsoară transferul termic dintre jumătatea de țeavă exterioară către materialului de umplere[41,42].
Termenii adimensionali din ecuațiile (54) și (55) sunt[41,42]:
Pentru schimbătorul de căldură tip U, AD:
Pentru schimbătorul de căldură coaxial, AD1:
Și doar pentru schimbătorul de căldură tip U:
În care:
w – debitul volumetric al agentului termic [m3/s];
cf, cs – capacitatea termică volumetrică a fluidului, respectiv solului [J/(K·m3];
rpi – raza țevii [m], i – indicele țevii, 1 sau 2.
R1,2 – rezistența termică a țevii 1 sau 2 [K·m/W].
Pentru bițantul energetic a fluidului pe țeava de ieșire, nr. 2, a agentului termic din schimbătorul de căldură tip U, se rescrie ecuația (54) rezultând ecuația (62) și din ecuația (55) pentru schimbătorul de căldură coaxial pentru spațiul inelar de ieșire (63), astfel [41,42]:
Bilanțul energiei din agentul termic, determină aportul de căldură asupra fluidului ținând cont de diferența de temperatură dintre intrare și ieșire, la coordonata z = 0 [41,42]
În variabile adimensionale[41,42]:
Iar în capătul schimbătorului de căldură, agentul termic trece din prima țeavă în a doua, astfel[41,42]:
Neglijând conducția termică în direcție axială, ecuația de conducție termică dintre schimbătorul de căldură tip U sau tip coaxial și materialul de umplere este [41,42]:
În care:
Hg – raportul capacităților termice volumetrice dintre materialul de umplere și sol;
κ – raportul conductivităților termice dintre materialul de umplere și sol;
rD – regiunea materialului de umplere, de la raza echivalentă până la marginea găurii de sondă, pentru schimbătorul de căldură tip U, iar pentru schimbătorul de căldură coaxial, regiunea se măsoară de la marginea țevii exterioare până la peretele găurii de sondă.
Unde, rb reprezintă raza găurii de sondă.
Ecuația de conducție termică pentru pământul din jurul primei țevi, în cazul schimbătorului de căldură tip U, și pentru gaura de sondă în cazul schimbătorului de căldură coaxial, este [41,42]:
Un raport energetic stabilește raportul de transfer termic de la agentul termic către materialul de umplere, ca fiind egal cu cantitatea de căldură primită de materialul de umplere. În cazul schimbătorului de căldură tip U, acesta este:
Iar pentru schimbătorul de căldură coaxial:
Iar raportul de conducției termice de la materialul de umplere către sol, este:
Rezistența termicădintre schimbătorul de căldură, indiferent de model, și materialul de stocare, în cazul nostru solul, este dată de suma rezistențelor termice ale materialului de umplere și contactul țevii cu materialul de umplere.
Rezistența termică a materialului de umplere se calculează cu relația:
În care kg reprezintă conductivitatea termică a materialului de umplere, măsurată în W/(K·m).
Iar rezistența termică pentru schimbătorul de căldură tip U, la contactul dintre țeavă și materialul de umplere este [41]:
Ecuație în care:
dpi – diametrul interior al țevii schimbătorului de căldură [m];
dpo – diametrul exterior al țevii schimbătorului de căldură [m];
hin – coeficientul filmului convectiv [W/(K·m2)];
kp – conductivitatea termică a țevii [W/(K·m)];
Rmaterial – rezistența termică a materialului de umplere [(K·m)/W];
Rw1,2 –rezistența termică a peretelui țevii schimbătorului de căldură [(K·m)/W].
Iar rezistența termică totală a găurii de sondă pentru schimbătorul de căldură tip U, este:
Capacitatea termică a pereților conductei este neglijată, deoarece este mică în comparație cu capacitatea termică a fluidului și a materialului de umplere a găurii de sondă[41].
De asemenea, în lucrare este propusă și ecuația pentru raza echivalentă care poate fi estimată ținând cont de rezistența termică a materialului de umplere și a conductei [41].
Ținând cont de faptul că rezitența termică a conductei schimbătorului de căldură este foarte mică, în comparație cu rezistența termică a materialului de umplere, putem neglija această rezistență, iar raza echivalentă va deveni [41]:
În modelare, raza echivalentă este determinată în funcție de rezistența termică a materialului de umplere, fără a ține cont de volumul de material ce se află în jurul schimbătorului de căldură, în gaura de sondă. Pentru ca modelul să ia în calcul capacitatea termică totală a materialului de umplere, capacitatea termică volumetrică a acestuia este ajustată folosind raportul dintre suprafața secțiunii transversale a materialului de umplereși de suprafața din model[41].
Unde:
rb – raza găurii de sondă [m];
cg,adj – capacitatea termică volumetrică a materialului de umplere ajustată [J/(K·m3)];
req – raza echivalentă [m].
Modelarea pentru schimbătorul de căldură tip U a fost verificată pe teren, având graficele rezultate similare, verificarea făcându-se prin măsurarea temperaturii agentului termic la intrare în schimbătorul de căldură și la ieșire. Verificările au arătat că rezistența termică măsurată în sol a fost cu 18% mai mică decât cea calculată prin modelare.
Rezistența termică de contact în cazul schimbătorului de căldură coaxial, reprezintă rezistența dintre fluidul care curge prin secțiunea inelară și peretele găurii de sondă. Rezistența termică a peretlui găurii de sondă este dată de suma rezistențelor filmului de fluid de pe interiorul țevii exterioare, rezistența peretelui țevii exterioare și rezistența materialului de umplere[42].
Unde:
Rb – rezistența termică a găurii de sondă [(K·m)/W];
rei– raza interioară a țevii exterioare [m];
rb – raza găurii de sondă [m];
reo – raza exterioară a țevii exterioare [m];
hei – coeficientul filmului convectiv aflat în interiorul țevii exterioare [W/(K·m2)];
kep – conductivitatea termică a țevii exterioare [W/(K·m)];
kg – conductivitatea termică a materialului de umplere [W/(K·m)].
În testele făcute pentru schimbătorul de căldură coaxial, a fost determinată și conductivitatea termică a solului, aceasta fiind de 3,25 W/K·m, temperatura medie a solului de 8,4°C, capacitatea termică volumetrică de 2,24·106J/(K·m3)[42].
Lungimea găurii de sondă, poate fi calculată folosind ecuația de transfer termic staționar astfel[43]:
În care:
L – adâncimea găurii de sondă [m];
q – rata de transfer termic [kW];
Rs – rezistența termică a solului pe unitatea de lungime [(m·K)/kW];
ts – temperatura din sol [K];
tf – temperatura fluidului de lucru [K].
Creșterea numărului de găuri de sondă și a schimbătoarelor de căldură duc la o creștere a eficienței de încărcare și descărcare a căldurii în și din sol, dar de asemenea cresc și costurile instalației. De exemplu, pentru un câmp cu găuri de sondă cu configurația 5 pe 5, cu o adâncime până la 200m, forajele ar costa aproximativ 80 000 euro.
Am ales studiul schimbătoarelor de căldură verticale în locul celor orizontale datorită faptului că, stocarea energiei termice nu este afectată de temperatura ambientală, stocarea având loc în adâncime, iar schimbătoarele de căldură verticale nu necesită suprafețe mari de teren.
Proprietățile termice ale solului
Conductivitatea termică a solului cât și capacitatea de stocare a căldurii în sol, sunt în legătură directă cu conținutul de umiditate din sol și cu cantitatea de minerale. Valorile specifice pentru puterea de extracție sau absorbție a căldurii sunt în tabelul 13 [].
Tabelul 13. Puterea de extracție specifică pentru diferite tipuri de sol.
Conform Enciclopeidieiștiinței solului [], solul este format din compuși solizi, lichizi și gazoși.
Partea solidă a solului se regăsesște în proporție de 50% și cuprinde compuși organici și anorganici. 95% din partea solidă a solului este deobicei materie minerală. Partea minerală din sol este formată din argilă, cu granulație mai mică de 0,002mm în diametru, noroi, cu granulație de la 0,002mm până la 0,05mm și nisip cu granulație mai mare de 0,05mm. Nisipul și noroiul, la rândul său conține cuarț, feldspat, mica, calcit și gips, iar argila conține minerale filosilicate, ce sunt încărcate cu sarcină negativă și își pot modifica volumul, oxizi de fier, aluminiu și siliconi [44].
Partea lichidă din sol ocupă spațiile libere din partea solidă. Diferența dintre partea solidă și lichidă depinde de tipul de sol și de precipitații. Partea lichidă e formată din materie organică și anorganică[44].
Partea gazoasă a solului, este formată în principal de azot, dioxid de carbon și oxigen. Cantitatea de dioxid de carbon este mai ridicată în sol decât în atmosferă din cauza plantelor care consumă oxigenul din sol[44].
Datorită apei și gazelor din sol, este foarte greu de apreciat temperatura din sol la adâncimi mari și gradientul termic, asta datorită faptului că apa poate transporta căldura foarte ușor []. Aceste diferențe se pot observa din figura 34.
Fig. 34. Temperatura și gradientul termic în trei găuri de sondă diferite, aflate la echilibru termic[45]
Solul are două surse de căldură:
soarele, care încălzește apa de la suprafața solului, iar când aceasta este atrasă de gravitație în sol, ea va ceda căldură către sol;
reacțiile nucleare ce au loc la temperaturi foarte ridicate în mijlocul pământului.
Conform proiectului de săpare a celei mai adânci găuri de sondă în Kola, Rusia, zona Arctică[], temperatura din sol, până la adâncimea de 3000m, creștea cu 1°C la fiecare 100m, apoi temperatura a crescut cu 2,5°C la fiecare 100m, ajungând ca la adâncimea de 10 000m, temperatura din sol să fie de 180°C. Astfel, noroiul rece pompat pentru a face forarea, ajungea la suprafață la o temperatură de 45°C.
Un alt articol, scris de V. Pasquale, M. Verdoya, P. Chiozzi, [], care prezintă resursele geotermale din Nordul Italiei, analizează temperaturile din sol, din 295 de găuri de sondă petroliere dezafectate, cu adâncimi cuprinse între 280 și 7240m. Grandientul termic în această zonă din Italia, fiind între 21,7mKm-1 și 24,5mKm-1.
Interiroul planetei este prezentat în fig. 35. Se poate observa că adâcimea de forare la care au ajuns Rușii, nu atinge mantaua.
Fig. 35. Structura internă a pământului[]
Pornind de la aceste date se poate calcula transferul de energiei geotermale din mantaua pământului către exterior.
Capacitatea termică a solului
Capacitatea termică a solului este influențată de materialele din care este format solul. În tabelul 14 [44], sunt notate principalele materiale din care este format solul și capacitățile termice ale acestora.Capacitatea termică a unui material fost apreciată cu ecuația:
Unde:
Cv – capacitatea termică volumetrică a solului [MJ/(K·m3)];
ρj – densitatea materialului considerat [Mg·m-3];
Cpj – capacitatea termică specifică a materialului considerat [MJ·Mg·K-1];
xj – procentul în care se găsește materialul în sol [%].
Tabelul 14. Capacitățile termice specifice și volumetrice ale compușilor ce formează solul[44]
Se poate observa că apa din sol are o infuență majoră în acumularea energiei termice. Dezavantajul apei din sol, este dată de mișcarea acesteia în interiroul solului.
Modelarea stocării energiei termice în sol
Cele mai folosite programe la ora actuală privind modelarea stocării energiei termice în sol sunt ANSYS, TRNSYS și FEFLOW. Analize făcute cu aceste programe, au fost prezentate mai sus.
Erorile dintre datele provenite din modelări matematice și cele din experimente se încadrează în intervale de 8 – 12% [37,], aceste erori apar datorită neomogenității structurii solului. O variantă ce ar putea reduce erorile, ar fi discretizarea solului în particule de aer, apă, materie organică, nisip și argilă, păstrarea proporțiilor acestora din sol și rearanjarea aleatorie a acestora la fiecare simulare. În acest fel, după un număr mare de simulări s-ar putea face o medie a rezultatelor, iar această medie ar trebui să fie mai apropiată de rezultatele reale.
Parametrii economici ai unui sistem de stocare a energiei termice în sol
O apreciere din punct de vedere economic, în zona Europei, a unei instalații cu pompă de căldură și stocarea energiei termice în sol, este prezentată de Jin Luo, Joachim Rohn, Manfred Bayer, Anna Priess [].
Evaluarea a fost făcută în Nuremberg, Germania, o zonă cu climă asemănătoare cu cea din România, cu temperaturi medii în luna Ianuarie situate între -9°C și -1°C, perioada în care este nevoie de încălzire fiind din Noiembrie până în Martie și pe perioada în care este nevoie de răcire, fiind din Iunie până în August, iar temperatura cea mai ridicată fiind în lunaIulie cu o medie a temperaturilor între 14 – 28°C.
Sistemul a fost instalat într-o clădire de birouri consturită în 2008, cu o suprafață utilă de 1530m2, din care, pe 380m2 sunt ocupați cu calculatoare, pompă de căldură și spații auxiliare. Camera calculatoarelor necesită răcire constantă, în timp ce, pentru restul clădirii se consideră o temperatură constantă de 21°C.
În faza de proiectare, pentru încălzirea clădirii s-a considerat necesară o putere de 50kW, iar pentru răcirea acesteia, o putere de 80kW. Diferența de putere provine din cauza temperaturilor din prerioada de vară. În tabelul 15 sunt prezentați parametrii climatici din zona respectivă.
Tabelul 15. Parametrii climatici din zona clădirii[50]
În fig. 36 [50] este prezentată schema sistemului cu pompă de căldură instalat.
Fig. 36. Schema sistemului cu pompă de căldură [50]
Conexiunea dintre schimbătorul de căldură din sol și instațatiile din interior este făcută cu ajutorul apei către agentului termic. Sistemul este format în principal din poma de căldură (HP) și schimbătorul de căldură (HX). În modul de răcire, căldura este transportată din clădire, în sol, iar în modul de încălzire, solul este folosit ca sursă caldă pentru pompa de căldură. De asemena s-a ales folosirea unui rezervor de stocare pentru amortizare, pentru a putea folosi căldura independent în ficare cameră. Temperatura apei din rezevor este între 35°C și 45°C, iar dacă aceasta scade sub 35°C, intră în funcțiune pompa de căldură.
Din cauza climatului rece din Germania, sarcina maximă de încălzire pe timp de iarnă a fost de 13MWh, iar cea de răcire pe timp de vară a fost de 8MWh.
În schema din fig. 36 se poate observa că pentru stocarea energiei termice în sol, găruile de sondă au fost împărțite în trei blocuri, a câte șase găuri de sondă, cu diametre diferite, 121mm, 165mm și 180mm. Datele tehnice ale sistemului de stocare sunt prezentate în tabelul 16[50].
Tabelul 16. Date tehnice ale sistemului de stocare [50]
Costurile privind sistemul de încălzire cu pompă de căldură și stocarea energiei termice în sol, au fost făcute pe fiecare bloc de foraje, după cum se poate observa în tabelul 17 [50].
Tabelul 17. Costurile sistemului cu pompă de căldură și stocarea energiei termice în sol, pe fiecare bloc de găuri de sondă[50]
Datorită celor trei blocuri cu foraje, s-a observat că un diametru mai mare al găurii de sondă, permite o încărcare termică în sol mai ridicată. Astfel, diferența medie absolută dintre blocul II și blocul I, este de 342 kW pe an, iar cea dintre blocul III și blocul I, este de 718kW pe an. Asta reprezintă o creștere a eficienței de stocare de 1,64% și 3,45% a blocurilor II de foraje, respectiv III, față de blocul I[50].
Concluzii
Lucrarea are ca scop prezentarea stadiului actual privind sistemele de stocare a energiei termice, cu accentul pe sisteme de stocare a energiei termice în sol. În prima parte a lucrării sunt prezentate la nivel teoretic sistemele de stocare a energiei termice, active și pasive, cu căldură sensibilă, căldură latentă precum și stocarea termochimică, iar în partea a doua a lucrării sunt detaliate sisteme de stocare a energiei termice în sol, prorietăți termice ale solului și analize privind stocarea energiei termice în sol.
Am considerat necesară prezentarea sistemelor de îmbunătățire a transferului termic, schimbătoarele de căldură fiind necesare în orice sistem de stocare de energie termică.
Ținând cont de evoluția sistemelor ce folosesc energia geotermală, prin faptul că multe țări încep să ia în calcul aceast tip de energie ca fiind o sursă sigură și neepuizabilă, transportul de energie termică ar putea să devină mai eficient pe distanțe scurte decât transportul combustibilului.
Bibliografie
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: CAPITOLUL I. METODE ȘI CERINȚE PRIVIND STOCAREA ENERGIEI TERMICE Importanța stocării energiei termice Stocarea energiei termice a devenit foarte… [302389] (ID: 302389)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.