Gorąca woda po zachodzie słońca. Czy termiczne baterie zastąpią grzałki elektryczne? 

• Nowy prototyp magazynuje ciepło prosto z promieni słonecznych, używając koncentratora i zwykłej parafiny.
• Układ bez problemu utrzymuje temperaturę wody na poziomie 50-60°C przez całą noc.
• Poza indyjskim pomysłem, w grze są już komercyjne zasobniki na sole uwodnione oraz przemysłowe baterie piaskow

Jak mieć ciepłą wodę z solarów, kiedy słońce już dawno zaszło? Dzisiaj standardem są wielkie bojlery i grzałki elektryczne,które po prostu uzupełniają energię pobieraną z sieci lub instalacji fotowoltaicznej. Naukowcy z indyjskiego uniwersytetu MIT-WPU podeszli jednak do tematu inaczej i stworzyli system, który magazynuje czyste ciepło słoneczne bez udziału elektryczności. Czy technologia oparta na materiałach zmiennofazowych ma szansę wygryźć z rynku klasyczne rozwiązania?

Koncentrator i parafina, czyli fizyka zamiast kabli

Inżynierowie z Pune sprytnie połączyli dwie znane technologie. Ich prototyp wykorzystuje paraboliczny koncentrator słoneczny typu Scheffler. Urządzenie przez cały dzień śledzi słońce i skupia jego promienie w jednym punkcie. To silnie  skoncentrowane ciepło trafia prosto do kapsuły z materiałem zmiennofazowym (PCM), czyli z tanią i powszechnie dostępną parafiną. 

Zasada działania jest prosta. Parafina pod wpływem słońca topi się, pochłaniając potężne ilości tak zwanego ciepła utajonego. Kiedy wieczorem domownicy puszczają przez układ zimną wodę, parafina zaczyna stygnąć i krzepnąć. W trakcie tego procesu fizycznego oddaje zmagazynowane ciepło, błyskawicznie podgrzewając wodę użytkowej. Zero pompek, zero grzałek, czysta termodynamika.

Co pokazały testy? 14 godzin spokoju

Pojemność prototypu to około 1,5 do 2 kWh energii cieplnej. Mało? W teorii tak, ale kluczem jest tutaj izolacja i retencja zebranego ciepła. Układ utrzymał parametry robocze czyli wodę o temperaturze między 50°C a 60°C przez pełne 14 godzin od momentu, gdy słońce schowało się za horyzont. Oznacza to, że instalacja naładowana w południe zabezpiecza domowników na całą noc i poranny rozruch. Bez problemu odcina potrzebę odpalania grzałki elektrycznej czy kotła. Co ważne, system działa całkowicie pasywnie w fazie oddawania ciepła, więc awaria sieci elektroenergetycznej w żaden sposób nie odetnie nas od ciepłej wody.

Specyfikacja techniczna w pigułce:

• Pojemność: 1,5 - 2 kWh zmagazynowanego ciepła.
• Temperatura wody: stabilne 50°C do 60°C.
• Czas działania: do 14 godzin po zachodzie słońca.
• Serce układu: parafina techniczna + koncentrator Schefflera.

Gdzie jeszcze szukać alternatyw dla klasycznego bojlera? 

Woda przestaje być jedynym sensownym nośnikiem energii termicznej, a rynek bezprądowych magazynów mocno przyspiesza. Dobrym przykładem z rynku wielkoskalowego są fińskie baterie piaskowe od Polar Night Energy. Finowie grzeją piasek do temperatury kilkuset stopni Celsjusza, tworząc gigantyczne magazyny dla ciepłownictwa sieciowego. Piasek jest tani, nie koroduje i trzyma ciepło przez całe tygodnie. Na poziomie domów jednorodzinnych rewolucję robią jednak sole uwodnione. 

Komercyjne zasobniki PCM oparte na solach mają nawet czterokrotnie większą gęstość energetyczną niż woda. Czego efektem jest urządzenie wielkości małej lodówki zastępuje wielki, 500-litrowy zbiornik buforowy. W nowoczesnych, ciasnych kotłowniach, gdzie liczy się każdy metr kwadratowy powierzchni, to ogromna zaleta logistyczna. Zamiast wielkiego walca pełnego wody, inwestor zyskuje kompaktową szafkę o doskonałych parametrach izolacyjnych.

Walka o opłacalność, czyli fotowoltaika vs fizyka 

Dlaczego technologia PCM nie wyparła jeszcze ze sklepów tradycyjnych bojlerów z grzałkami? Odpowiedź jest prosta i są to koszty. Obecnie najprostszy układ składający się z kilku paneli fotowoltaicznych, prostego sterownika i grzałki wkręconej w stary zbiornik kosztuje grosze. Jest to rozwiązanie toporne i mało efektywne pod kątem czystej sprawności fizycznej, ale dużo tańsze i praktycznie bezawaryjne. Zasobniki oparte na parafinie czy solach uwodnionych wciąż są traktowane jako rynkowa nowość. Dopóki ich produkcja nie osiągnie efektu skali, cena zakupu będzie barierą dla przeciętnego klienta. Kolejnym problemem jest żywotność chemiczna materiałów PCM po kilku tysiącach cykli topnienia i krzepnięcia niektóre związki tracą swoje pierwotne właściwości akumulacyjne, co wymaga stosowania specjalnych, droższych stabilizatorów.

Czy to zadziała w Polsce?

Projekt z Indii ma jedną, zasadniczą wadę w naszych realiach opiera się na koncentratorze parabolicznym. Tego typu konstrukcje potrzebują bezpośredniego, silnego słońca. W Polsce, przy naszym klimacie i ogromnej ilości promieniowania rozproszonego jesienią czy zimą, taki system po prostu by się nie sprawdził. Lustra nie miałyby czego skupiać przez większość miesięcy grzewczych. 

Sama idea ucieczki od tradycyjnych magazynów wodnych na rzecz materiałów zmiennofazowych to jednak jedyny słuszny kierunek rozwoju mikroinstalacji. Odciążamy w ten sposób sieć elektroenergetyczną, która nie musi radzić sobie z nagłymi pikami poboru prądu przez tysiące domowych grzałek w tym samym czasie. Żeby jednak takie baterie termiczne wygrały z tanim zestawem fotowoltaika plus grzałka, ich masowa produkcja musi ruszyć na pełną skalę, a technologia PCM musi drastycznie spaść z ceny. Dopóki to się nie stanie, przeciętny polski inwestor wybierze prosty prąd i tradycyjny zbiornik z wodą.

Źródła: pv magazine, PortalTechnologiczny, oraz własne