Imaginează-ți că acum 200 de ani nu puteai decât să răcești un spațiu sau să răcești alimente perisabile, deoarece blocurile de gheață erau tăiate din lacurile înghețate și transportate peste țară cu vagoane izolate, la tine acasă. Odată ajunsă în casă, gheața s-a topit – prin absorbția căldurii pentru a schimba faza din solid în lichid – ținând casa sau mâncarea rece. Apa, atunci când este înghețată, stochează această capacitate de a se răci din cauza cantității mari de energie absorbită (la topire) sau de a se încălzi prin eliberarea de energie (la îngheț).
Tehnologiile de încălzire și răcire a clădirilor s-au îmbunătățit dramatic, așa că de ce oamenii de știință reexaminează aceste procese de schimbare a fazei care datează din anii 1800? Unii spun că ar putea fi lozul câștigător către un viitor cu energie curată.
Înființat în noiembrie 2022, Stor4Build este un consorțiu cu mai multe laboratoare care lucrează pentru a accelera dezvoltarea, optimizarea și implementarea în mod echitabil a tehnologiilor rentabile de stocare a energiei termice (TES) pentru a permite clădirilor să funcționeze eficient pe surse regenerabile de energie.
„Știința din spatele TES poate fi la fel de simplă ca ceea ce au făcut oamenii acum 200 de ani”, a spus Tim LaClair, cercetător senior la Laboratorul Național de Energie Regenerabilă (NREL). „Cu toate acestea, astăzi, explorăm diverse materiale, controale, standarde, integrarea clădirilor și multe altele pentru a face sistemele accesibile și pentru a asigura confortul ocupanților. Această cercetare este o cale vitală către electrificarea și decarbonizarea clădirilor noastre.”
Clădirile reprezintă un obstacol semnificativ în calea atingerii obiectivelor de decarbonizare echitabile la nivel național – până la 50% din consumul de energie electrică în clădirile din SUA este destinat satisfacerii cerințelor de încălzire și răcire. Alinierea acestui consum de energie electrică cu generarea de energie regenerabilă este un obiectiv principal pentru Stor4Build.
Consorțiul investighează materiale și sisteme noi TES care se pot ajusta atunci când încălzirea sau răcirea este creată, stocată și livrată. Folosirea cercetării TES în colaborare va ajuta la nivelarea cererii de energie de vârf, la reducerea potențialelor întreruperi ale rețelei și va permite electrificarea clădirilor mai rentabilă. TES arată promițător în a face procesul de încălzire și răcire a clădirilor mai ușor de gestionat, mai puțin costisitor, mai eficient și mai bine pregătit pentru a gestiona în mod flexibil energia din surse regenerabile de energie pentru a furniza atunci când este cea mai necesară energie.
Ce este stocarea energiei termice?
Sistemele TES pot fi instalate în clădiri într-un mod care să permită clădirii să acționeze ca o baterie termică. Energia, potențial din surse regenerabile, cum ar fi solarul sau eolianul, este stocată în rezervoare sau în alte vase pline cu materiale – cum ar fi gheață, ceară, sare sau nisip – pentru a fi utilizate în momente diferite.
Som Shrestha, un om de știință senior în cercetare și dezvoltare în cadrul Centrului de Cercetare și Integrare a Tehnologiilor Construcțiilor de la Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL), a declarat că TES poate reduce semnificativ cererea de energie de încălzire, ventilație și aer condiționat a clădirilor.
„Timpul de energie termică utilă disponibilă și momentul în care clădirea are nevoie de aceasta, de obicei, nu coincid. Prin urmare, sistemele TES sunt necesare pentru a stoca energie termică utilă atunci când este disponibilă și pentru a o utiliza pentru a compensa cererea de încălzire și răcire atunci când este necesar”, a spus Shrestha.
Shrestha a explicat, de asemenea, modul în care ORNL a dezvoltat un „înveliș de clădire termic anizotrop”, care poate colecta energie termică din anvelopa exterior și o poate stoca în TES pentru o utilizare ulterioară.
Cercetarea se încălzește
„Chiar dacă ideea TES există de mult timp, aceasta este o cercetare nouă”, a spus LaClair. „Stor4Build este un efort concertat de a intensifica eforturile în laboratoarele și partenerii naționali din industrie, mediul academic, comunități și multe altele. Trebuie să dezvoltăm sistemul tehnologic integrat și să permitem adoptarea pieței, nu doar materialul în sine.”
LaClair a spus că o componentă mare a progresului TES depinde de identificarea și dezvoltarea materialelor necesare cu schimbare de fază, cu un punct de topire și de îngheț apropiat de temperatura camerei. Aceasta înseamnă că materialul se va îngheța atunci când casa este puțin mai rece decât punctul de topire al materialului, eliberând energie și încălzind casa și se va topi când casa este puțin mai caldă, absorbind energie și răcind casa. Acest lucru oferă spații interioare mai confortabile, care utilizează mai puțină energie electrică pentru încălzire și răcire.
„Dacă o familie dorește să-și încălzească casa la 70˚F, de exemplu, sistemul TES necesită un material care se topește și îngheață în intervalul respectiv de temperatură”, a adăugat LaClair. „Diferitele ceară au în mod natural acel punct de topire, dar sunt mai scumpe. Scopul este de a dezvolta și optimiza materiale de depozitare cu costuri reduse, cum ar fi hidrați de sare sau materiale termochimice.”
O nouă cercetare din Laboratorul Național Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) include un proiect de dezvoltare a TES pe bază de materiale termochimice. Aceste materiale pot stoca, teoretic, mai multă energie termică decât materialele cu schimbare de fază, prin încărcare cu energie solară sau electricitate în exces de rețea și apoi descărcarea pentru a furniza spațiu termic și încălzirea apei în clădiri.
„Noile sisteme avansate de stocare a energiei termice, care se bazează pe materii prime abundente și eficiente din punct de vedere al costurilor, pot satisface cererea de încărcări termice pe perioade de timp similare cu dispozitivele de stocare electrochimică”, a declarat Sumanjeet Kaur, liderul grupului de energie termică din Berkeley Lab. „Acest lucru nu numai că va relaxa o parte din cererea de stocare electrochimică și va elibera bateriile, dar va crește și versatilitatea și eficiența sistemelor de stocare a energiei din clădiri.”
LaClair a adăugat că un aspect al activității consorțiului va continua dezvoltarea de noi materiale care să fie integrate în proiect sau să creeze infrastructura pentru a utiliza materialele actuale pentru demonstrație.
Cercetătorii de la NREL și ORNL explorează modelele hibride, inteligența artificială și învățarea automată pentru a dezvolta un cadru care să studieze imaginea de ansamblu. Modelele și instrumentele de simulare pot evalua economiile costurilor de energie, reducerea sarcinii de vârf și actualizările necesare ciclului de viață și apoi pot sfătui cum să reduceți costurile TES în timp real. Aceste progrese pot ajuta la îmbunătățirea eficienței și accesibilității sistemelor TES și de conversie și la depășirea obstacolelor care împiedică adoptarea lor generală.
Mai multe despre Stor4Build
Stor4Build include participanți activi din industrie, utilități, organizații nonprofit, comunități, proprietari de clădiri, mediul academic, guvern și alte instituții de cercetare.
„Cercetarea în domeniul energiei termice este necesară pentru implementarea la scară largă a energiei regenerabile, electrificare și decarbonizare a clădirilor”, a declarat Judith Vidal, managerul grupului NREL Building Thermal Energy Science și co-director Stor4Build. „Trebuie să combinăm forțele și expertiza pentru a avansa soluțiile TES de la laborator la piață, în toate comunitățile.”
Lucrările din cadrul consorțiului sunt clasificate în patru domenii de cercetare: optimizarea materialelor și fabricarea; modelare și analiză; optimizarea și integrarea sistemului; și piață, politică și capital propriu. Două consilii de conducere (cercetare și dezvoltare și adoptarea pieței) sprijină adoptarea la scară centrată pe capitaluri proprii a tehnologiilor de stocare a energiei din clădiri și transformarea pieței pentru a crește viabilitatea pieței.
Ca parte a planului său de cinci ani, Stor4Build își propune să dezvolte, să evalueze și să lanseze o demonstrație la scară comunitară a schimbării agregate a sarcinii de vârf de 50–100 kW, reducând în același timp consumul de energie pentru încărcăturile termice ale caselor individuale cu cel puțin 50% pentru 4-6 ore.
Finanțat de Biroul pentru Tehnologii de Construcție Energetică, Stor4Build este co-condus de NREL, Berkeley Lab și ORNL.
Contactați Stor4Build@ee.doe.gov; pentru mai multe informații despre modalitățile de colaborare sau pentru a primi cele mai recente actualizări ale consorțiului.