Artikkel Soojuse salvestamine täiendab artiklit Energia salvestamise tehnoloogiad. Soojuse salvestamisel salvestatakse energia soojusena, mida on vajaduse korral võimalik kasutada energiavajaduse katmiseks teatud perioodil. 1
Üldist
Soojusenergia salvestamine (soojuse) kujutab endast ette tehnoloogiat, kus salvestamisel juhitakse soojust salvestatavale ainele ning soojuse kasutamisel salvestist eemaldatakse soojust salvestavalt ainelt soojust (tööpõhimõte toodud joonis 1). Lihtsamalt öelduna toimub soojuse salvestamine vedelike või tahkete ainete kuumutamisega (Eesti tingimustes uuritud tehnoloogia Kõrgtemperatuurse soojussalvesti kasutamise võimalused) ning soojuse võtmine sellisest salvestist võib toimuda loomuliku või sundkonvektsiooni teel, kiirguse teel või mõne soojuskandja vahendusel.23
|
Joonis 1. Lihtsaim soojussalvesti20 |
|
|
Soojuse salvestamise klassifikatsioon
Soojuse salvestamist võib klassifitseerida salvestuse kontseptsiooni järgi 4:
- a) aktiivne;
- b) passiivne.
või salvestusmehhanismi järgi:
- a) faasimuutuseta;
- b) faasimuutusega;
- c) keemiline.
Aktiivne salvestusviis
Aktiivse soojuse salvestamisviisi korral kasutatakse soojuse ülekandmiseks salvestatavale ainele sundkonvektsiooni, mis tähendab, et soojust salvestav aine on ise sundringluses. 5
Passiivne salvestusviis
Passiivsete süsteemide korral kasutatakse soojuse ülekandmiseks soojust salvestavale ainele soojuskandjat. Soojust salvestav aine ise on nö paigal ning soojust salvestavaks aineks võib olla näiteks 6:
- a) tahke aine;
- b) vedelik;
- c) faasimuutusega materjal;
- d) mõni muu aine keemiliseks soojuse salvestamiseks.
Faasimuutuseta salvestamise korral on passiivse süsteemi miinuseks, et temperatuurierinevus vahesoojuskandja ja soojust salvestava aine vahel väheneb nii soojuse salvestamise kui eemaldamise käigus salvestist, mis tähendab energiakadu. Temperatuuride vahe vähenemine vähendab ka ülekantava soojuse kogust aine sama vooluhulga juures. Selliste süsteemide juures on oluliseks teguriks soojust salvestava aine soojusjuhtivustegur. 7
Faasimuutuseta salvestamine
Faasimuutuseta salvestamine ning samuti ka keemiline salvestamine pole tänapäeval hoonete korral laialdast kommertsrakendust leidnud, pidades eelkõige silmas aastaajalist soojuse salvestamist. Nimetatud tehnoloogiad vajavad veel arendustööd, et saaks võrrelda faasimuutusega salvestamisega, arvestades tehnilis-majanduslikku aspekti. 8
Faasimuutusega salvestamine
Faasimuutusega salvestamise eeliseks eeltoodud tehnoloogia ees on suurem salvestusvõime sama massi/mahuühiku kohta, ehk teisisõnu suurem energiatihedus. Võrrelduna faasimuutuseta salvestamise viisidega, vajavad faasimuutusega salvestussüsteemid sama energiahulga salvestamiseks väiksemat mahtu ning massi. 9
Keemiline salvestamine
Keemilise soojuse salvestamise tehnoloogia võib jagada 10:
- a) keemilistel reaktsioonidel põhinev;
- b) termokeemilised protsessid (sorptsioon).
Keemilistel reaktsioonidel põhinev
Keemiline salvestamine eeldab, et salvestamise eelduseks olevad keemilised reaktsioonid on täielikult pöörduvad. Salvestamisel antakse salvestisse soojust, mille tagajärjel toimuvad endotermilised reaktsioonid. Kui reaktsioon on täielikult pöörduv, siis eksotermiliste reaktsioonide käigus soojus vabaneb. Enamasti vajatakse viimaste protsesside läbiviimiseks katalüsaatorit, mille kasutamine on kasulik ka protsessi kontrollimise eesmärgil. Üks moodus, kuidas keemilistel reaktsioonidel põhinevat keemilist soojust salvestada, on toodud joonisel 2.
|
Joonis 2. Võimalus keemiliseks salvestamiseks21 |
|
|
Termokeemilised protsessid
Termokeemiline protsess põhineb soojuse salvestamisel mingi aine veesidemete lõhkumisel soojusega, ühe produkti aurustamises ja kondenseerumises hilisemaks kasutamiseks. Soojus tagastatakse, kui kondenseerunud aine taas aurustatakse ja seotakse uuesti teise ainega. 11
Materjalid soojuse salvestamiseks
Faasimuutuseta salvestamine
Vesi
Vesi on sobilik soojuse salvestamiseks temperatuurivahemikus 20-80°C ning veel on suhteliselt kõrge erisoojus (4,19 kJ/kg·K) ning on odav. Vee kasutamiseks on tarvis mahuteid, mis võivad olla valmistatud metallist, betoonist või olla looduslikud õõnsused. Soojuse transportimiseks võib soojuskandjana kasutada mahutis olevat vett, mis on ka salvestatavaks aineks (aktiivsete süsteemide korral) või mingit muud vedelikku, mis läbib mahutisse paigaldatud soojusvahetit (passiivsete süsteemide korral). 12
Kivi
Kivikihti salvestamisel läbib kivikihti soojuskandjana kas näiteks vesi või õhk. 13
Pinnas
Pinnasesse salvestamise (sealhulgas ka kivi) korral on pinnas oma olemuselt tasuta allikas, kuid seejuures tuleb arvestada investeeringutega süsteemide paigaldusse (pinnase eemaldamine tagasitäitmine, puurimine jne). Kasutatakse nii vertikaalseid puurauke kui ka horisontaalseid torusid. 14
Muud ained
Samuti kasutatakse soojust salvestava ainena õlisid. Õli salvestava ainena on investeeringult kallim, kuid leiab kasutust kõrgemate temperatuuride korral. 15
Faasimuutusega salvestamine
Faasimuutusega salvestamise materjalid jaotatakse kolme gruppi 16:
- a) orgaanilised;
- b) anorgaanilised;
- c) eutektikumid.
Eutektikumid on kahest või rohkemast komponendist koosnev aine, mille iga komponent sulab ja tahkestub kongruentselt (erinevad paiknemise poolest), moodustades kristalliseerumisel komponentide kristallide segu.
Hargnemine ning klassifikatsioon on toodud joonisel 3
|
Joonis 3. Faasimuutusega materjalide klassifikatsioon22 |
|
|
Praktilised näited
Selliseid materjale kasutatakse ka laiatarbe tehnoloogias 17:
- a) seinaplaadid;
- b) seinad;
- c) põrandad;
- d) laed;
- e) katused;
- f) ribikardinad.
Faasimuutusega salvestamisel on mõnede kasutatavate materjalide soojusfüüsikalised omadused toodud tabelis
|
|
Soojussalvestite kasutusvõimalusi
Eesti Arengufondi tellimusel koostati 2012. aasta lõpus uuring ''' "Kõrgtemperatuurse soojussalvesti kasutamise võimalused Eestis". 18
Nimetatud uuring koostati Norra firma Nest AS poolt välja kõrgtemperatuurse soojussalvesti baasil. Uuringu eesmärgiks oli tuvastada soojussalvestite kasutamise võimalused katlamajades ja elektrijaamades, kuna soojuse kõrgtemperatuurset salvestamist on võimalik kasutada katlamajades katelde töö optimeerimiseks. Tulemusena leiti, et väikeste kaugküttevõrkude säilitamiseks ja soojuse hinna alandamiseks oleks mõistlik töötada välja mobiilse katlamaja kontseptsioon koos lokaalsete soojustarbijate juures asuvate kõrgtemperatuursete soojussalvestitega. Sellise kontseptsiooni juures on võimalik väikeste üksteisele piisavalt lähestikku asuvate õlikatlamajade asendamine soojussalvestitega, mis annab märgatavat majanduslikku efekti. Samas on võimalik planeerida ka uute tarbijate soojusega varustamine välja ehitada mobiilse katlamaja toitele.19
Samuti on käesolevas artiklis kajastatud ka soojuse salvestusmaterjalide maksumused ning need on kajastatud tabelis .
|
|
Täiendavat lugemist
|
Aasta |
Kategooria |
Pealkiri |
|---|---|---|
|
2013 |
Uuring |
|
|
2007 |
Õppematerjal |
|
|
2005 |
Õppematerjal |
|
|
2013 |
Uuring |
Kõrgtemperatuurse soojussalvesti kasutamise võimalused Eestis |
|
- |
Õppematerjal |
|
|
2002 |
Aruanne |
|
|
2013 |
Ettekanne |
|
|
2007 |
Ettekanne |
|
|
2007 |
Aruanne |
|
|
2015 |
Uuring |
Viited
- Rosin, A.; Link, S.; Drovtar, I. Energiasalvestus ja salvestustehnoloogiad, 2013.↩︎
- Risthein, E. Sissejuhatus energiatehnikasse, 2007.↩︎
- Eesti Arengufond Kõrgtemperatuurse soojussalvesti kasutamise võimalused, Tallinn 2013.↩︎
- Herrmann, U., Geyer, M., Kearney, D. FLABEG Solar Int. GmbH Overview of thermal storage systems, 2002.↩︎