Projekt programu Účinná přeměna a skladování energie Strategie AV21 pro rok 2018
Odpovědný řešitel: Ing. Magdalena Bendová, Ph.D., Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.
Spolupracující pracoviště: Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i.
Aktivita byla řešena ve spolupráci Ústavu chemických procesů (ÚCHP) a Ústavu termomechaniky (ÚT). Předmětem řešení byl výzkum látek, vhodných pro skladování tepelné energie, metod stanovení jejich termofyzikálních vlastností a souvisejících procesů sdílení tepla a hmoty. Cílem této aktivity je vybudovat interdisciplinární pracoviště, které bude národním lídrem a mezinárodně uznávaným centrem v oboru výzkumu a implementace skladování tepelné energie jako významného faktoru pro snížení spotřeby primární energie a lepší využití intermitentních obnovitelných zdrojů. Pro tento účel byla v rámci AV21 založena Společná laboratoř skladování energie ÚCHP a ÚT.
V ÚCHP se výzkum zaměřil na studium látek pro skladování tepelné energie, a to jak pomocí latentního tepla (materiály s fázovou přeměnou), tak pomocí tepla citelného (teplosměnné kapaliny s dostatečně velkou tepelnou kapacitou a energetickou hustotou). Studovány byly dvě sady iontových kapalin s imidazoliovým kationtem, u kterých se pro skladování tepelné energie předpokládá aplikační potenciál.
První sadou byly 1-alkyl-3-methylimidazolium sacharináty, kde alkyl je butyl, hexyl, oktyl, resp. decyl (viz Schéma 1).
Schéma 1 Chemická struktura iontových kapalin 1-alkyl-3-methylimidazolium sacharinátů.
Pro tuto sadu iontových kapalin byla proměřena tepelná kapacita a hustota v závislosti na teplotě. Z naměřených hodnot vyplývá, že studované kapaliny se svými termálními vlastnostmi blíží vlastnostem běžně používané teplosměnné kapaliny Therminol VP-1 9 [Bendová, M., Čanji, M., Wagner, Z. et al. J Solution Chem (2018). https://doi.org/10.1007/s10953-018-0798-9], jejich nevýhodou je však jejich vysoká viskozita za pokojové teploty (cca 680 mPa⋅s). V praktické aplikaci bude tedy zřejmě nutné používat tyto iontové kapaliny s přídavným rozpouštědlem.
Další sadou byly iontové kapaliny na bázi kationtu 1-hexadecyl-3-methylimidazolium s různými anionty (např. chlorid, sacharinát). Tyto iontové kapaliny vykazují bod tání kolem 50–60 °C a vykazují dostatečně vysoké teplo tání, aby mohly být použity jako materiály s fázovou přeměnou. Jejich aplikační potenciál bude ale ještě dále studován měřením tepelné vodivosti a tepelné kapacity.
V ÚT se hlavní byl hlavní náplní aktivity vývoj zařízení pro měření tepelné vodivosti v širokém rozsahu teplot pro tekutá i tuhá média. Tepelná vodivost látek pro skladování energie je limitujícím faktorem pro rychlost ukládání a odebírání tepelné energie z úložiště. Proto se např. vyvíjejí plniva, která tepelnou vodivost zvyšují. Zároveň je stanovení tepelné vodivosti složité a komerční přístroje, které také využíváme, mají problematickou opakovatelnost. Budované zařízení bude dávat absolutní hodnoty tepelné vodivosti, tj. nikoli relativní hodnoty vztažené k etalonu. Měření je založeno na modifikované metodě rovnoběžných desek s chránicím prstencem. Pracovní výška bude v rozsahu 0-20 mm a průměr 100 mm. Uvažovaný teplotní rozsah je -70 až 250°C. Tepelná vodivost vzorku je stanovena na základě měření geometrických rozměrů, teplot a tepelného výkonu. Jedná se tedy o absolutní metodu. V rámci aktivity byly navrženy, zhotoveny a testovány obvody pro přesné měření teploty platinovými odporovými teploměry, kde bylo dosaženo dlouhodobé stability kolem 1mK, byly vyvinuty jednotky pro řízení krokových motorů ovládajících vzdálenost desek. Byl navržen zmenšený prototyp přístroje určený pro ověření výrobních technologií a měřicích metod. Tento prototyp je ve výrobě.
Vliv geometrického uspořádání zásobníků tepla využívajících zapouzdřené látky s fázovou změnou na intenzitu přestupu tepla je dalším předmětem výzkumu v ÚT Bylo zkonstruováno zařízení, umožňující vizualizaci procesu fázové změny látky uzavřené v makrokapsuli při současném měření vnitřních a okolních teplot.
