amerika gazete haberleri haberler
Yazılar

Isıyı Arttırmak: Termal Enerji Depolama Binaları Karbondan Arındırmaya Yardımcı Olabilir

Berkeley Lab’in gelişmiş malzemelerdeki araştırma çabaları ve maliyet analizleri, gözden kaçan bir teknolojiye büyük destek sağlıyor.

Bir tank buz veya sıcak su akü olabilir mi? Evet! Pil enerji depolamak için bir cihazsa, bir binanın ısıtma veya iklimlendirme sistemine güç sağlamak için sıcak veya soğuk su depolamak farklı bir enerji depolama türüdür. Termal enerji depolaması olarak bilinen teknoloji, uzun süredir ortalıkta dolaşsa da çoğu zaman gözden kaçıyor. Şimdi Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki (Berkeley Lab) bilim adamları, termal enerji depolamasını bir sonraki seviyeye taşımak için ortak bir çaba gösteriyorlar.

Geleneksel su bazlı termal enerji depolamasının bazı sınırlamalarının üstesinden gelmek için Berkeley Lab bilim adamları, ısıtma veya soğutma ortamı olarak kullanılacak yeni nesil malzemeler ve sistemler geliştirmeye bakıyorlar. Ayrıca maliyetleri analiz etmek için bir çerçeve ve maliyet tasarruflarını karşılaştırmak için bir araç oluşturuyorlar. Berkeley Lab araştırmacıları bu yıl yayınlanan bir dizi makalede bu alanların her birinde önemli ilerlemeler bildirdiler.

Berkeley Lab’in Enerji Teknolojileri Laboratuvar Direktörü Ravi Prasher, “Binaları özellikle ısıtma için karbondan arındırmak çok zor” dedi. “Fakat enerjiyi, elektrik olan enerji kaynağı şeklinde değil, son kullanım olan ısı şeklinde depolarsanız, maliyet tasarrufları çok cazip olabilir. Ve şimdi geliştirdiğimiz çerçeveyle, şimdiye kadar imkansız olan lityum piller gibi elektrikli depolamaya karşı termal enerji depolama maliyetlerini tartabileceğiz.”

Amerika Birleşik Devletleri’nde binalar toplam enerji tüketiminin %40’ını oluşturuyor. Bunun neredeyse yarısı, alan ısıtma ve soğutmanın yanı sıra su ısıtma ve soğutmayı içeren termal yüklere yöneliktir. Yani binalarda üretilen enerjinin beşte biri ısıl yüklere gitmektedir. Ve 2050 yılına kadar, doğal gazın kullanımdan kaldırılması ve ısıtmanın giderek daha fazla elektrikle beslenmesi nedeniyle, elektrik şebekesine termal yüklerden gelen talebin önemli ölçüde artması bekleniyor.

“Termal yüklere olan talebi karşılamak için hammaddelerin daha bol olduğu termal enerji depolamasını kullanırsak, bu, elektrokimyasal depolama talebinin bir kısmını rahatlatacak ve termal enerji depolamasının kullanılamadığı yerlerde kullanılacak pilleri serbest bırakacaktır.” Berkeley Lab’ın Termal Enerji Grubunun lideri Sumanjeet Kaur söyledi.

Pillere uygulanabilir, uygun maliyetli bir alternatif
Toplumumuz elektriklenmeye devam ettikçe, enerji depolamak için pillere duyulan ihtiyacın çok büyük olacağı ve bugün 0,5 TWh’den daha az olan yıllık pil üretiminin 2030 yılına kadar tahmini 2 ila 10 terawatt saate (TWh) ulaşacağı tahmin ediliyor. Öngörülebilir gelecek için baskın depolama teknolojisi olan lityum iyon pil ile, önemli bir kısıtlama, günümüzün lityum pilinin temel bileşenleri olan lityum, kobalt ve nikel dahil olmak üzere hammaddelerin sınırlı mevcudiyetidir. Berkeley Lab bu kısıtlamayı gidermek için aktif olarak çalışıyor olsa da, alternatif enerji depolama biçimlerine de ihtiyaç vardır.

Prasher, “Lityum piller artık hammadde tedariki açısından muazzam bir baskıyla karşı karşıya” dedi. “Termal enerji depolamanın diğer enerji depolama biçimlerine uygun, sürdürülebilir ve uygun maliyetli bir alternatif olabileceğine inanıyoruz.”

Termal enerji depolaması, eviniz, ofisiniz veya fabrikanız gibi tek tek binalarda veya ilçe veya bölgesel düzeyde olmak üzere çeşitli ölçeklerde konuşlandırılabilir. Termal enerjinin en yaygın biçimi, büyük sıcak veya soğuk su depoları kullanırken, termal enerjiyi depolamak için kum veya kayaların kullanılması gibi diğer duyulur ısı depolama türleri de vardır. Bununla birlikte, bu yaklaşımlar, konutlar için uygunluklarını sınırlayan büyük miktarda alan gerektirir.

Sıvıdan katıya ve tekrar geri
Bu kısıtlamayı aşmak için bilim adamları, termal enerjiyi depolamak için yüksek teknolojili malzemeler geliştirdiler. Örneğin, faz değiştiren malzemeler, sıvıdan katıya ve geri gibi fazlar arasında geçiş yaparken enerjiyi emer ve serbest bırakır.

Faz değiştiren malzemelerin, pillerin termal yönetimi (çok ısınmasını veya çok soğumasını önlemek için), gelişmiş tekstiller (sizi otomatik olarak sıcak veya serin tutabilen, böylece ısıl rahatlığı sağlarken aynı zamanda ısıl konfor sağlayan giysileri düşünün) dahil olmak üzere bir dizi potansiyel uygulaması vardır. bina enerji tüketimi) ve enerji santrallerinin kuru soğutması (su tasarrufu için). Binalarda, duvarlara bina için bir termal pil görevi gören faz değiştiren malzemeler eklenebilir. Ortam sıcaklığı malzemenin erime noktasının üzerine çıktığında malzeme faz değiştirir ve ısıyı emerek binayı soğutur. Tersine, sıcaklık erime noktasının altına düştüğünde, malzeme faz değiştirir ve ısı verir.

Bununla birlikte, faz değiştiren malzemelerle ilgili bir sorun, bunların tipik olarak yalnızca bir sıcaklık aralığında çalışmasıdır. Bu, yaz ve kış için iki farklı malzemeye ihtiyaç duyulacağı anlamına gelir ve bu da maliyeti artırır. Berkeley Lab, bu sorunun üstesinden gelmek ve geçiş sıcaklığının “dinamik ayarlanabilirliği” denen şeyi elde etmek için yola çıktı.

Yakın zamanda Cell Reports Physical Science’da yayınlanan bir çalışmada , araştırmacılar bir faz değişim materyalinde dinamik ayarlanabilirlik elde eden ilk kişilerdir. Çığır açan yöntemi, iyonları ve termal enerji depolamayı elektrik enerjisi depolamasıyla birleştiren benzersiz bir faz değiştiren malzeme kullanır, böylece hem ısı hem de elektrik depolayabilir ve sağlayabilir.

Applied Energy Materials Grup Lideri Gao Liu, çalışmanın ortak yazarı, “Bu yeni teknoloji gerçekten benzersiz çünkü termal ve elektrik enerjisini tek bir cihazda birleştiriyor” dedi. “Termal ve elektrik pili gibi çalışıyor. Ayrıca bu özellik, farklı ortam sıcaklıklarına bağlı olarak malzemenin erime noktasının ayarlanabilmesi nedeniyle termal depolama potansiyelini artırır. Bu, faz değiştiren malzemelerin kullanımını önemli ölçüde artıracaktır.”

Aynı zamanda makalenin ortak yazarlarından Kaur, şunları ekledi: “Büyük resimde, bu, depolama maliyetini düşürmeye yardımcı oluyor çünkü artık aynı malzeme sadece yılın yarısı yerine yıl boyunca kullanılabilir.”

Büyük ölçekli bina yapımında, bu birleşik termal ve elektrik enerjisi depolama kapasitesi, malzemenin hem termal (ısıtma ve soğutma) hem de elektrik ihtiyaçlarını karşılamak için yerinde güneş veya rüzgar operasyonları tarafından üretilen fazla elektriği depolamasına izin verecektir.

Faz değiştiren malzemelerin temel bilimini geliştirmek
Bu yılın başlarında yapılan bir başka Berkeley Lab çalışması, her seferinde aynı sıcaklıkta faz değiştirmeyebileceğinden, malzemeyi öngörülemez kıldığı için belirli faz değiştiren malzemelerde süper soğuk olmayan aşırı soğutma sorununu ele aldı. Berkeley Lab yüksek lisans öğrencisi asistanı ve UC Berkeley doktora öğrencisi Drew Lilley tarafından yönetilen, Applied Energy dergisinde yayınlanan çalışma , bir malzemenin aşırı soğutma performansını nicel olarak tahmin etmek için bir metodoloji gösteren ilk çalışma oldu.

Bu yıl Applied Physics Letters’da yayınlanan üçüncü bir Berkeley Lab çalışması , yeni faz değişim malzemelerinin tasarımı için kritik olan, atomik ve moleküler ölçekte faz değişimi anlayışını geliştirmenin bir yolunu anlatıyor.

Prasher, “Şimdiye kadar, faz değişim fiziği ile ilgili temel çalışmaların çoğu, doğası gereği hesaplamalıydı, ancak faz değiştiren malzemelerin enerji yoğunluğunu tahmin etmek için basit bir metodoloji geliştirdik” dedi. “Bu çalışmalar, faz değiştiren malzemelerin daha yaygın olarak kullanılmasının önünü açan önemli adımlardır.”

Elmadan elmaya
Energy & Environmental Science dergisinde yeni yayınlanan dördüncü bir çalışma , şimdiye kadar mümkün olmayan, piller ve termal enerji depolama arasında doğrudan maliyet karşılaştırmalarına izin verecek bir çerçeve geliştiriyor.

Kaur, “Bu, insanların elmadan elmaya – pilleri termal depolamaya karşı karşılaştırması için gerçekten iyi bir çerçeve” dedi. “Birisi bana gelip ‘Bir Powerwall (Tesla’nın güneş enerjisini depolamak için lityum pil sistemi) veya termal enerji depolaması mı kurmalıyım’ diye sorsa, bunları karşılaştırmanın bir yolu yoktu. Bu çerçeve, insanların yıllar içinde depolama maliyetini anlamaları için bir yol sağlıyor.”

Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılarla birlikte geliştirilen çerçeve, ömür boyu maliyetleri hesaba katıyor. Örneğin, termal sistemlerin kurulumu daha düşük sermaye maliyetlerine sahiptir ve termal sistemlerin kullanım ömrü tipik olarak 15 ila 20 yıldır, oysa pillerin tipik olarak sekiz yıl sonra değiştirilmesi gerekir.

Bina HVAC sistemlerinde termal enerji depolaması dağıtmak için simülasyon aracı
Son olarak, UC Davis ve UC Berkeley’den araştırmacılarla yapılan bir çalışma , faz değiştiren malzemelere dayalı termal enerji depolamalı HVAC sistemlerini yerleştirmenin tekno-ekonomik fizibilitesini gösterdi. İlk olarak ekip , enerji maliyet tasarruflarını, maksimum yük azaltmayı ve böyle bir sistemin maliyetini değerlendirmek için ihtiyaç duyulan simülasyon modelleri ve araçları geliştirdi. Halka açık olacak olan araç, araştırmacıların ve inşaatçıların, termal enerji depolamalı HVAC sistemlerinin sistem ekonomisini, elektrokimyasal depolamalı ve elektrokimyasal depolamasız tamamen elektrikli HVAC sistemleriyle karşılaştırmasına olanak tanıyacak.

Berkeley Lab proje lideri Spencer Dutton, “Bu araçlar, termal enerji depolama ile entegre HVAC’ın gerçek dünyadaki uygulamalarının ekonomisini keşfetmek için benzeri görülmemiş bir fırsat sunuyor” dedi. “Termal enerji depolamayı entegre etmek, yaşam döngüsü maliyetlerini düşürmede önemli bir faktör olan ısı pompasının kapasitesini ve dolayısıyla maliyetini önemli ölçüde azaltmamızı sağlıyor.”

Daha sonra ekip, faz değiştiren malzemelere dayalı hem soğuk hem de sıcak termal piller kullanan küçük ticari binalar için “sahada kullanıma hazır” bir prototip HVAC sistemi geliştirmeye devam etti. Böyle bir sistem, hem soğutma hem de ısıtma yüklerini elektrik şebekesinden kaydırır. Son olarak ekip, ev elektrifikasyonuna ve ev ısıtma ve sıcak su yüklerinin değiştirilmesine odaklanan konut ölçeğinde bir saha gösterimi yapıyor.

Berkeley Lab’ın Enerji Depolama Merkezi’nin yönetici direktörü Noel Bakhtian, “Dünya çapında enerjinin nasıl tüketildiğini düşünürseniz, insanlar onun elektrik şeklinde tüketildiğini düşünürler, ancak aslında çoğunlukla ısı şeklinde tüketilir” dedi. “Dünyayı karbondan arındırmak istiyorsanız, binaları ve endüstriyi karbondan arındırmanız gerekir. Bu, ısıyı karbondan arındırmanız gerektiği anlamına gelir. Termal enerji depolaması burada önemli bir rol oynayabilir.”

Araştırma, Enerji Bakanlığı Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Dairesi Bina Teknolojisi Ofisi tarafından desteklendi.

İlgili Makaleler

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Başa dön tuşu
İstanbul evden eve nakliyat izmir dijital ajans dijital pazarlama