Akumulace tepelné energie při skupenských změnách látek

Povšimněme si jedné velmi zajímavé metody ukládání (akumulace) tepelné energie, která u nás není účinně dosud využívána a přitom je zejména pro solární systémy velmi vhodná a perspektivní. Tento způsob akumulace tepla je založen na změně skupenství materiálu, kterým je zásobník naplněn.

Klasický zásobník (kapalinový - vodní nebo suchý - štěrkový) je schopen pojmout množství energie, které je rovno součinu jeho hmotnosti, měrné tepelné kapacity a teplotního rozdílu mezi teplotními úrovněmi na počátku a konci "nabíjení". Takový zásobník nazýváme kalorický. Zásobník, jehož nabíjení probíhá za konstantní teploty a dodaná energie se spotřebovává např. při tání náplně na rozrušení vnitřních vazeb v pevné látce, je schopen pojmout množství energie, které je rovno součinu jeho hmotnosti a měrného skupenského tepla tání. Pro název náplně takového zásobníku budeme používat zkratky PCM (z anglického Phase Change Material).

Uveďme si nejprve dva příklady, které ukazují na výhodnost akumulace tepla do zásobníku s PCM místo do kalorického:
Příklad 1
Jaký objem vody s počáteční teplotou 27 °C bychom museli mít, aby se při jejím ochlazení na 20 °C uvolnilo stejné množství tepla jako při zatuhnutí jednoho litru roztaveného hexahydrátu chloridu vápenatého (majícího teplotu těsně nad teplotou tání 27 °C)? Jednoduchým výpočtem zjistíme, že pro uložení uvažovaného tepla (309 kJ) bychom potřebovali 10,6 l vody. Výhoda zásobníku s PCM tedy jistě spočívá v jeho menším objemu i hmotnosti.

Příklad 2
Jednoduchý solární systém sbírá pomocí plochých fototermických kolektorů energii slunečního záření a ukládá ji do zásobníku s náplní PCM. Předpokládejme, že jde o zimní provoz, s teplotou okolí T_a = - 7 °C. Ze zásobníku se vrací zpětnou větví do kolektoru teplonosná kapalina s teplotou T_i = 27 °C (tj. teplota tání náplně zásobníku, která neporoste, dokud všechen obsah zásobníku neroztaje). Z obrázku s grafem z účinnostních křivek kolektoru můžeme odečíst, že při teplotním rozdílu 27 - (-7) = 34 K jsou účinnosti 51 % (při ozářenosti 700 W/m²) resp. 65 % (při ideálních slunečních podmínkách s ozářeností 1000 W/m²). Kdyby byl v systému prostý vodní zásobník, jehož teplota během nabíjení narůstá (předpokládejme opět z počáteční hodnoty 27 °C tak dlouho, až se uloží stejná energie, jako byla potřebná k roztavení náplně PCM, což se stane při teplotě např. 60 °C), klesala by účinnost kolektoru podle příslušné křivky, tj. z počátečních 51 % na 12 % (při 700 W/m²) nebo z 65 % na 34 % (při 1000 W/m²). Opět přicházíme k závěru, že použití zásobníku s PCM v solárním systému je výhodnější, neboť lze např. snížit celkový počet potřebných kolektorů v systému.

První aplikace PCM jsou velmi starého data a váží se spíše k problematice chlazení (ledárny, pivní sklepy, přeprava choulostivých potravin). Řada konstrukcí zásobníků, které využívaly pro náplně některých anorganických solí, se začaly rozvíjet ve 20. a 30. letech minulého století. V r. 1965 byly patentovány ohřívací vložky ("peřinky") s hydridem lithia pro horolezce, polární badatele, letce apod.

Velký pokrok v systematickém vyhledávání a zkoumání PCM byl učiněn v programech vesmírného výzkumu na základě zadání NASA - zajistit v objektech pohybujících se vesmírem trvalou přiměřenou tepelnou pohodu. Jedním z prvních akumulátorů s PCM (hydratované soli, parafin) bylo v r. 1932 patentované zařízení pro ohřev TUV nebo sálavé vytápění bytových prostor, nabíjené levným nočním elektrickým proudem.

První stavbou, jejíž otopná soustava plně využívala PCM, byl tzv. "Dover House", postavený v r. 1948 nedaleko Bostonu v USA. Zásobníky byly realizovány třemi prostory, jejichž stěny působily jako radiátory do sousedních místností. Každá z těchto prostor obsahovala plastové sudy s náplní Glauberovy soli, dosud nejprozkoumanějším materiálem pro zásobníky s PCM. R. 1971 začal rozsáhlý systematický průzkum látek vhodných pro zásobníky s PCM na Pensylvánské státní universitě. Byla stanovena hlavní kritéria pro volbu PCM jak z technických, tak z ekonomických hledisek. Do rešerší bylo zahrnuto na 20 000 látek, z nichž podrobnějším průzkumem prošlo asi 1 %. Další vývoj pokračuje do dnešních dní.

Uveďme některé z požadavků na materiály, které je nutno uvážit při volbě k přímé akumulaci tepla: vhodná výše teploty fázové přeměny, co nejvyšší hodnota skupenského (latentního) tepla fázové přeměny, dobrý přestup tepla, vhodný fázový diagram v okolí teploty přechodu (viz příklad pro chlorid vápenatý na přiloženém diagramu), malá objemová změna při fázovém přechodu, malý sklon ke vzniku přechlazení, vhodná krystalizační rychlost, dlouhodobá stabilita složení a konečně jednoduchá výroba a nízká cena.

Vzhledem k zajištění přiměřené manipulace je většinou nutno vlastní PCM materiál zapouzdřit a takto vzniklé kontejnery s obsahem PCM uložit do vnější obálky tak, aby teplonosné médium obtékáním zajistilo optimální přenos tepelné energie oběma směry (při nabíjení i vybíjení).

Příklady představitelů PCM
Organické PCM: parafinový vosk, polyethylenglykol (směs polyéterových polymerů, HDPE (vysokohustotní polyetylen, kyselina stearová, kyselina palmitová a jejich homology, dlouhořetězcové alkylové sloučeniny.

Anorganické PCM: hexahydrát chloridu vápenatého, síran (kamenec hlinitoamonný, směs hexahydrátů chloridu a bromidu vápenatého, dekahydrát síranu sodného (Glauberova sůl) aj.

Lze konstatovat, že do dneška bylo rešeršně shrnuto velké množství PCM, z nichž nemálo (10% - 20 % bylo laboratorně prozkoumáno. Na druhé straně v demonstračních projektech obytných budov bylo těchto poznatků použito jen velmi málo. Aplikační úspěch v těchto projektech není přesvědčivý a jednoznačný a ekonomická převaha v soutěži s jinými metodami akumulace tepelné energie nebyla dosud prokázána. Nelze ale tvrdit, že takové výsledky předurčují metody s využitím PCM k neúspěchu. Stav je spíše na počátku aplikací a je třeba proto provádět další výzkum i vývoj včetně masivnější demonstrace výsledků.