Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı’ndan (NREL) bilim insanları, yeni malzemelerin evinizde, ofisinizde veya başka bir binada talep üzerine ısıyı depolama veya salma potansiyelini binanın enerji kullanımını daha verimli bir şekilde yönetecek şekilde daha iyi değerlendirmek için basit bir yol geliştirdi.
Nature Energy’de yer alan çalışmaları, binaları ısıtma ve soğutma sürecini daha yönetilebilir, daha ucuz, daha verimli ve her zaman enerji sağlamayan yenilenebilir enerji kaynaklarından gelen gücü esnek bir şekilde yönetmek için daha hazırlıklı hale getirebilecek yeni bir tasarım yöntemi önerdi.
“Rate Capability and Ragone Plots for Phase Change Thermal Energy Storage” adlı makale, NREL’den Jason Woods, ortak yazarlar Allison Mahvi, Anurag Goyal, Eric Kozubal, Wale Odukomaiya ve Roderick Jackson tarafından yazıldı. Kağıt, piller için kullanılan bir fikri yansıtan termal depolama cihazlarını optimize etmenin yeni bir yolunu açıklayarak, binalar için hangi yeni termal depolama malzemelerine ihtiyaç duyulduğunu ve cihazların bu malzemelerle nasıl tasarlanması gerektiğini bildirmeye yardımcı oluyor.
Termal enerji depolama, binaların termal enerjiyi daha sonra kullanılıncaya kadar yeni malzemelerde depolayarak büyük bir pil gibi çalışmasını sağlıyor. Bir örnek, bir ısı pompasıdır. Isıyı oluşturmak ve depolamak için başlangıçta elektriğe ihtiyaç duyulurken, ısı daha sonra ek elektrik kullanılmadan kullanılıyor.
Başka bir örnekte, bir katıdan sıvıya geçebilen buz gibi bazı malzemeler faz değiştirme yeteneğine sahip. Buz eridikçe, enerjiyi emer ve bir çalışma sıvısını soğutur, bu daha sonra bir bina alanını soğutmak için kullanılabilir. Faz değişimi neredeyse sabit bir sıcaklıkta meydana geldiğinden, yararlı enerji sabit bir sıcaklıkta daha uzun bir süre için sağlanabilir veya depolanabilir.
Yazarlar, genellikle pilleri karakterize etmek için kullanılan bir Ragone planının, çeşitli termal depolama cihazı adaylarının potansiyel etkinliğini tanımlamak için de iyi çalıştığını keşfettiler. Bir Ragone grafiği, bir cihazın ne kadar enerji depolayabileceği ile deşarj gücü veya cihazın enerjiyi ne kadar hızlı serbest bırakabileceği arasındaki dengeyi gösterir. Bu temel yaklaşım, farklı termal depolama malzemeleri veya cihaz iyileştirmeleri arasındaki karşılaştırmaları değerlendirmeyi kolaylaştırır. Hedefleri tanımlamak için bir başlangıç noktası olarak hizmet eder ve yeni, alternatif enerji depolama seçenekleri olarak hizmet edebilecek yeni termal depolama malzemeleri ve cihazları geliştirmek için kullanışlı bir tasarım aracıdır.
NREL’de kıdemli araştırma mühendisi ve yeni yayınlanan makalenin baş yazarı Jason Woods, “Bu Ragone çerçevesi, belirli bir uygulamanın güç ve enerji gereksinimlerine bağlı olarak termal depolama malzemeleri ve cihazlarının uygun maliyetli tasarımını sağlar” dedi.
NREL’de doktora sonrası araştırmacı olan Mahvi, bir başka avantajın da şebekedeki kesintileri azaltabilecek teknolojileri mümkün kılmak olduğunu söyledi. “En yüksek elektrik talebinin çoğu, özellikle de elektrik kesintilerinin görülebileceği yaz aylarında, klimadan kaynaklanıyor. Bu talebi günün başka bir zamanına taşıyabilirseniz, ızgaranın çalışır durumda kalmasını sağlayarak ızgaranın üzerindeki baskıyı hafifletmeye yardımcı olabilir ve aynı zamanda insanları içeride rahat tutabilirsiniz.”
Woods, “Yerinde güç üretimi, elektrikli araç şarjı ve termal depolamanın pillerle kombinasyonunun eklenmesiyle termal enerji depolama sistemlerinin daha esnek ve uyarlanabilir hale gelmesi gerekecek” dedi. “Bu esnekliğin bir kısmı daha yüksek güç gerektiriyor – ancak bu yayında vurgulandığı üzere, bu daha yüksek güç mevcut enerji maliyetiyle geliyor.”
Termal enerji depolamanın kullanım şekli performansını etkileyecektir. Bilim insanlarının, depolanan enerjinin bina sakinlerini rahat ettirmek için veya elektronik ekipmanı güvenli bir sıcaklıkta tutmak gibi farklı uygulamalar için en iyi şekilde nasıl kullanılabileceği hakkındaki soruları dikkate almaları gerekiyor.
“Hangisi benim için en iyi şekilde çalışır ve uygulamam, gereksinimlerin ne olduğuna bağlı olacaktır. Ne kadar depolamalıyım ve ne kadar hızlı boşaltmam gerekiyor? ” Mahvi dedi. “Bu çerçeve, mevcut kapasitenin mümkün olduğunca çoğuna erişmeye devam ederken güç yoğunluğunu artırmak için malzemeden bileşen ölçeğine kadar termal depolama sistemlerini optimize etmemize olanak tanıyacak. Bu, çok çeşitli uygulamalar için kullanılabilecek daha verimli cihazlarla sonuçlanacak.”
Araştırmacılar, yüksek güç (enerjiyi hızlı bir şekilde serbest bırakma) ve düşük güç (enerjiyi yavaşça serbest bırakma) gerektirenler de dahil olmak üzere, bu termal depolama cihazlarıyla çeşitli tasarım ödünleşimlerini anlamak için bir bilgisayar modeli geliştirdiler. Ayrıca, pratikte bu güç-enerji alışverişini gösteren prototip faz değişimli termal depolama cihazı yaptı.
ABD Enerji Bakanlığı’nın Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi’ndeki Bina Teknolojileri Ofisi bu araştırmayı finanse etti.
NREL, ABD Enerji Bakanlığı’nın yenilenebilir enerji ve enerji verimliliği araştırma ve geliştirme alanındaki birincil ulusal laboratuvarıdır. NREL, Alliance for Sustainable Energy, LLC tarafından Enerji Departmanı adına işletiliyor.
