Cihlové akumulátory tepla: Inovativní řešení pro skladování energie

Akumulátory tepelné energie představují důležitou alternativu k jiným, běžnějším metodám skladování energie, jako jsou například elektrochemické baterie, jelikož je větší část energie spotřebované v domácnostech právě ve formě tepla. Využitím tepelných zásobníků tedy dochází k vynechání kroku, ve kterém se elektrická energie přeměňuje na teplo, čímž může dojít ke zvýšení účinnosti celého procesu a snížení nákladů na energie.

Princip tepelné akumulace

Tepelná akumulace je jev, kdy je teplo ukládáno v určitém tělese, které teplo samo o sobě nespotřebovává. V případě potřeby, kdy teplota v prostoru poklesne, jej však odevzdává zpět. V ohledu na stavební konstrukce je pak tepelná akumulace považována za schopnost konstrukce teplo přijmout a po určité prodlevě jej vydat a podílet se na udržování teplotního komfortu.

Akumulace tepla je schopnost konstrukcí nebo technických prvků „ukládat“ tepelnou energii a s časovým zpožděním ji zase uvolňovat. V praxi to znamená, že dům nereaguje na změny teploty venku nebo na topení okamžitě, ale vyrovnává výkyvy. Je to jeden z klíčových rozdílů mezi domem, který je „na papíře úsporný“, a domem, ve kterém se dobře žije. Výsledek je tzv. časový posun a tlumení teplotních špiček. Typicky: když přes den na fasádu praží slunce, masivní stěna nebo strop to teplo částečně „sežere“ a dovnitř se dostane později a slabší.

Typy akumulace tepla

• Akumulace citelného tepla: nejjednodušší a nejstarší způsob akumulace. Teplo je ukládáno do snadno dostupné a levné látky, nejčastěji vody. V tomto případě je tepelná energie akumulována pouze změnou teploty akumulačního média. Množství akumulovaného tepla závisí na tepelné kapacitě média, na změně teploty a na množství akumulačního média. Na akumulaci citelného tepla mohou být využity pevné nebo kapalné látky. Nejoblíbenější kapalné médium je voda, která musí být umístěna v nějakém kontejneru. Obvykle je voda používána jako teplonosné kapalné médium, ale často je použita také jako akumulační médium. Jako akumulační média z pevných látek mohou být použity kámen, betonové konstrukce nebo cihelné zdivo.
• Akumulace latentního tepla (PCM - Phase Change Materials): akumulace latentního tepla je náročná a je testována od minulého století. Tato akumulace využívá fázové změny pracovních látek, respektive jejich skupenství. Při akumulaci skupenského tepla je tepelná energie shromažďována prostřednictvím vratných změn stavu nebo skupenství akumulačního média. Přeměna pevná látka-kapalina je využívána nejčastěji, ačkoli byl zkoumán i přechod pevná látka-pevná látka. Akumulátory skupenského tepla také využívají určitý obsah citelného tepla v systému. Skupenské teplo je z hlediska lidské zkušenosti méně známé než teplo citelné. Materiály s fázovou změnou (Phase Change Materials - PCM) mají ve srovnání s akumulátory citelného tepla podstatně vyšší měrnou akumulaci tepelné energie a jsou schopné absorbovat větší množství energie při konstantní teplotě během skupenské změny.
• Termochemické zásobníky: termochemické systémy spočívají na energii absorbované a uvolňované při rozbití nebo znovuvytvoření molekulárních vazeb při plně reverzibilních chemických reakcích. Termochemické akumulátory tepla mají výhodu více kompaktních systémů s dlouhodobou akumulací, malými ztrátami a akumulací bez izolace. Avšak produkty nesmí být korozivní vůči materiálům stavby a všechny použité chemikálie musí být bezpečné a ekologické. Ze zhodnocení schopnosti sezónní akumulace jednotlivých tepelných zásobníků vyplývá, že jediným zásobníkem, zaručeně schopným téměř neomezené doby akumulace, je termochemický zásobník.

Cihlové akumulátory tepla v praxi: Rondo Energy

V Kalifornii byla spuštěna největší tepelná baterie na světě, která neukládá energii do elektrochemických článků, ale do žhavých cihel. Technologie společnosti Rondo Energy dokáže ohřát cihlový blok na více než 1500 °C a uložit až 100 MWh energie. Cílem je nabídnout levný a udržitelný způsob, jak zásobovat průmysl čistým teplem.

Princip cihlové baterie je překvapivě jednoduchý. Elektřina z obnovitelných zdrojů, například ze solárních panelů, ohřívá masivní bloky speciálních cihel. Ty dokáží akumulovat teplo a uvolňovat ho zpět v době, kdy je potřeba - například pro výrobu páry nebo dodávky tepla pro průmyslové procesy. Rondo Energy tvrdí, že jejich systém dosahuje účinnosti přes 97 % a že cihly se dokáží zahřát až na 1500 °C. Nově uvedená jednotka má kapacitu kolem 100 MWh a už více než deset týdnů bezchybně funguje v reálném provozu. Oproti klasickým lithium-iontovým bateriím je tato technologie levnější, snadněji vyrobitelná a mnohem odolnější.

Čtěte také: Porovnání Cihlových Obkladů a Zeleného Obkladového Kamene

Využití a perspektivy

Nový systém je zatím využíván pro tzv. enhanced oil recovery, tedy těžbu ropy pomocí horké páry. Zde vzniká paradox. Technologie určená k dekarbonizaci zatím pomáhá zefektivňovat ropný průmysl. "Dekarbonizujeme svět takový, jaký je," obhajuje projekt zakladatel a technický ředitel Rondo Energy John O’Donnell. Podle něj je lepší, když i ropné firmy pro svůj provoz využívají solární elektřinu místo zemního plynu. První projekt navíc umožnil ověřit funkčnost technologie v reálném měřítku a získat prostředky pro další rozvoj.

Rondo už staví další plnohodnotné jednotky v Evropě, konkrétně v Německu a Dánsku. Tyto jednotky mají být levnější a rychleji zprovozněné díky zkušenostem z Kalifornie. Výroba probíhá v thajské továrně s kapacitou až 2,4 GWh tepelných baterií ročně. Cílem je nabídnout řešení zejména pro cementárny, ocelárny nebo potravinářství, tedy sektory, které potřebují stabilní zdroj vysokopotenciálního tepla a patří k největším producentům emisí CO₂. Průmyslové teplo dnes tvoří zhruba pětinu světové spotřeby energie, přičemž většina pochází ze spalování fosilních paliv.

Další významné metody skladování tepelné energie

Mezi další významné metody skladování tepelné energie patří:

• Zemní zásobníky
• Pískové zásobníky
• PCM (phase change material) zásobníky
• Termochemické zásobníky
• Zásobníky vodíku

Akumulace v moderní výstavbě

Trend moderní a atraktivní výstavby, zejména u větších bytových, administrativních, halových a průmyslových objektů, je určován nejen působivým designem, ale také efektivností využití materiálu, energetickou úsporností a co možná nejnižším dopadem na životní prostředí. Akumulace energie do základů má na daná kritéria významný vliv.

Systém akumulace energie do stavebních konstrukcí a jejich blízkého okolí, tzv. energetické základy (energetické piloty, základové deky, milánské stěny), při svém provozu značně snižuje spotřebu primárních energií a s tím související emise CO2. Tím viditelně přispívá k výborným výsledkům při certifikačním hodnocení budov.

Čtěte také: Zvyšte hodnotu vašeho domova s obkladovými pásky Terca

Budovy po celý svůj životní cyklus spotřebovávají energii a produkují škodlivé látky a odpady. Nejdelší fází životního cyklu budovy je vždy její provoz, při kterém se spotřebovává nejvíce energie pro zajištění tepla, chladu, teplé vody, příjemného klimatu, obecně pohody prostředí. Velikost spotřeb energií a environmentálního dopadu budov lze nejvíce ovlivnit při jejich návrhu, tedy již v počátečních architektonických studiích stavby. Proto je nutné s energetickými základy uvažovat už v prvotních návrzích.

Jedním z rozhodujících kritérií investorů je v první řadě ekonomika celé stavby, a to jak z hlediska nákladů na samotnou stavbu, tak z hlediska nákladů na provoz. Výhodou energetických základů budov je možnost maximálního využití těch částí stavby, které je z hlediska proveditelnosti konstrukce stejně nutné realizovat. Tím se značně snižují náklady na realizaci energetických základů a zastavěné území včetně spotřebovaného materiálu na základy budov je mnohem efektivněji využito. Využitím akumulace energie do stavebních konstrukcí lze pomocí tepelných čerpadel velmi levně získat potřebné teplo pro vytápění, přípravu TV, vzduchotechniku apod. a ještě levněji vytěžit energii pro chlazení, která byla naakumulována během topné sezóny. Část energie pro chlazení, zpravidla začátek letního období, lze navíc pokrýt pouze režimem pasivního chlazení (free cooling), tedy pouze za cenu energie potřebné pro provoz oběhových čerpadel.

Díky systému energetických základů, který může být schopen pokrýt až 100 % potřeb energie pro vytápění i chlazení, je budova osvobozena od dalších nutných technologií nebo dodávek energie. Pokud statika a podloží stavby nevyžaduje pilotové založení stavby nebo je zapotřebí pokrýt větší výkony, realizujeme geotermální vrty hluboké až 200 m, umístěné pod základovou deskou. Tyto geotermální vrty jsou podobně jako energetické piloty schopny akumulovat energii do svého blízkého okolí a jsou tak určeny pro střídavý režim vytápění a chlazení. Ekonomická návratnost systémů energetických základů budov se dle návrhu může pohybovat v rozmezí 3-5 let.

Akumulace tepla a komfort bydlení

Akumulace tepla je jeden z největších „neviditelných“ faktorů komfortu. Masivní konstrukce a akumulační prvky tlumí výkyvy, zlepšují letní i zimní pohodu a umožňují chytřeji řídit spotřebu energie. Akumulace zdiva vyjadřuje jeho schopnost akumulovat teplo. U stěn s nízkou akumulací tepla dochází při přerušení vytápění k velmi rychlému poklesu teploty povrchu stěn na vnitřní straně obytných prostor.

Akumulace v zimě pomáhá držet stabilní teplotu: když zatopíš, masivní konstrukce se nahřeje a pak teplo postupně vrací. Výhoda je menší kolísání, menší „přetápění“ a lepší komfort. Tlumí přehřívání a posouvá teplotní špičku do času, kdy jde dům vychladit (noční větrání).

Čtěte také: Kompletní informace o prostupu tepla v podlahách

V současnosti je trendem použití lehkých stavebních materiálů jak pro vnitřní, tak i vnější konstrukce. Místnosti, jejichž obvodové konstrukce jsou vytvořeny z lehkých materiálů, často nesplňují požadavky na tepelnou stabilitu v letním období. Běžné masivní konstrukce jako jsou zdivo, betonové stěny nebo stropní desky mohou akumulovat tepelnou energii díky své vlastní tepelně akumulační kapacitě. Závisí to především na hmotnosti jednotlivých konstrukcí. Nízkoenergetické budovy s lehkými obvodovými plášti mají malou tepelně akumulační schopnost způsobenou malou hmotností nosných i nenosných konstrukcí. V případech, kdy je akumulováno teplo, například ze slunečního záření, musí projektanti navrhovat speciální masivní tepelně akumulační prostředky. Jejich objem je možné redukovat pomocí materiálů s fázovou změnou (Phase Change Materials - PCM). Instalace materiálů s fázovou změnou je jedna z cest, jak zlepšit tepelně akumulační vlastnosti lehkých obvodových konstrukcí.

Experiment s PCM v Brně

Na VUT v Brně proběhl výzkum s cílem ověřit pozitivní vliv PCM na tepelnou stabilitu budov v letním období. Pro tento účel byly postaveny dva identické experimentální objekty. Každý z nich je postaven z lehkých obvodových konstrukcí a má okna s jednoduchým zasklením.

V objektu č. 2 byla jako PCM použita směs solí na bázi hexahydrátu, instalované v PVC trubicích pod stropem. Následující rok byly místo trubek s PCM použity sádrové desky se zapouzdřeným PCM.

Experiment byl úspěšný, protože maximální denní teploty v objektu s PCM byly nižší než v objektu bez PCM. Například maximální denní teplota dne 10.9. byla v objektu č. 1 (bez PCM) 36,1 °C a v objektu č. 2 byla maximální denní teplota 32,3 °C. Takže rozdíl je 3,8°C. Na druhou stranu, během noci byla teplota v objektu č. 2 vyšší než v objektu č. 1. Bylo to způsobeno tuhnutím hydrátu solí.

Obecně lze říci, že materiály s fázovou změnou mají dva efekty na tepelnou stabilitu vnitřního mikroklimatu.

tags: #cihlovy #akumulator #tepla #informace

Oblíbené příspěvky:

• Dřevěná manekýna: Využití v umění
• Druhy lepidel na dřevo
• Stolaři Tachov: Srovnání
• Služby pro dlažbu Chrudim
• Rozměry dětského zrcadla