Projekti / Programi
Napredni materiali za shranjevanje toplote za celostne rešitve skladiščenja
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.03 |
Naravoslovje |
Kemija |
Anorganska kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
porozni silikati, zeoliti, material za shranjevanje toplote, adsorbent, sistem za shranjevanje toplote, prenos toplote in snovi, numerično modeliranje
Raziskovalci (16)
Organizacije (4)
Povzetek
Shranjevanje toplotne energije je eno izmed ključnih tehnologij za omogočanje učinkovitejše rabe fosilnih goriv in obnovljivih virov energije z zagotavljanjem ravnotežja med ponudbo in povpraševanjem. V tem smislu se termokemijsko shranjevanje toplote (TCS), ki izkorišča reverzibilno kemijsko in fizikalno adsorpcijo plinov, predvsem vodne pare, na trdnih snoveh (sorbentih), šteje kot edini koncept shranjevanja s potencialom za dolgoročno, tudi sezonsko, nizkotemperaturno shranjevanje toplote (do 150 °C) z dovolj visoko gostoto shranjevanja, in ki je tudi ekonomsko privlačno. Pod vplivom dobave toplote pri TCS, se voda desorbira iz materiala, ki se ga nato shrani ločeno (endotermi pojav se imenuje tudi poljnjenje ali aktivacija materiala). Ko vodna para in sorbent prideta v stik, je sproščanje toplote (eksotermni fenomen se imenuje tudi praznjenje ali deaktivacija materiala). TCS ima potencial za širšo uporabo sončne toplotne energije in nizko-temperaturne odpadne toplote iz industrije, kar vodi k nizkoogljični energetski družbi. Nujen preboj, ki je še vedno potreben za komercializacijo sorpcijskih sistemov za shranjevanje toplote je optimizacija adsorbentov, ki bi omogočali visoko gostoto shranjene energije v hranilniku pri pogojih (Dp, DT), ki jih lahko dosežemo v sistemu. Kljub dejstvu, da nekateri materiali kažejo izjemne gostote shranjevanja pri laboratorijskem testiranju (naš material z gostoto 240 kWh/m3, je eden izmed najboljših na svetu), pa je dinamika procesa v večini znanih primerov neustrezna za učinkovito uporabo. Zato je cilj predlaganega projekta, da se razvoj sorpcijskih sistemov za shranjevanje toplote premakne na višji nivo z načrtovanjem, optimizacijo in »scale-up«-om materialov z upoštevanjem dinamike procesa v izbranem sistemu shranjevanja (numerično in eksperimentalno) in, posledično, na novo definirati zahtevane lastnosti TCS materialov. Razvoj bo osredotočen na sisteme, ki uporabljajo nizko-temperaturno sončno energijo. Materiali, predlagani za raziskave, so porozni aluminosilikati z nižjo vsebnostjo aluminija, ki se jih pripravi s kontroliranim postopkom dealuminacije z ali brez nadaljnjega postopka z anorganskimi solmi za optimalno izven ogrodno distribucijo kovin. Razvoj novih sorbentov z natančno kontrolirano kemijsko sestavo in strukturnimi lastnostmi bo temeljil na energetsko učinkoviti, varni in okolju prijazni proizvodnji materialov. Predlagan "bottom-up" pristop inženiringa materialov, tako na molekularnem nivoju kot tudi v sistemu/zalogovniku (shranjevalniku), bo izveden z usklajenim delovanjem znanstvenikov in strokovnjakov iz različnih področij. Pričakujemo, da bodo rezultati predlaganega dela sprožili nadaljnje raziskave na področju inovativnih sinteznih postopkov poroznih materialov in pri uporabi/testiranju novih materialov za druge aplikacije, tj poleg dolgoročnega shranjevanja sončne energije, se velik vpliv pričakuje tudi pri aplikacijah v toplotnih črpalkah in kogeneracijskih sistemih v okviru pametnih energetskih infrastruktur. Pričakovani vplivi izven projekta so naložbe v proizvodne zmogljivosti za materiale in v hranilnike, kot tudi dejavnosti pri vzdrževanju tovrstnih sistemov.
Pomen za razvoj znanosti
Pričakujemo, da bodo imele predlagane raziskave imele velik vpliv na razvoj tehnologij obnovljivih virov toplote in na učinkovitost obstoječih tehnologij ogrevanja. Prvi vpliv znanstvenih rezultatov projekta bo boljše razumevanje povezave med sintezo materialov, njihovimi strukturnimi lastnostmi in makroskopskimi lastnostmi/delovanjem. Le-to je ključno za učinkovit razvoj materialov za shranjevanje toplote, ki še vedno predstavljajo ozko grlo v razvoju TCS. To bo posledica premišljenega načrta dela, ki vključuje povratno povezavo: sinteza, strukturne značilnosti, zmogljivosti za shranjevanje in modeliranje sistema. Posebej bomo obravnavali vprašanja v zvezi z vlogo poroznosti, specifične površine in kemijske sestave na sorpcijo vode in količino shranjene toplote, ter vpliv sinteznega in po-sinteznega postopka na razporeditev kovin v porozni matriki.
Optimizacija materialov bo usklajena z njihovo specifično uporabo (poudarek bo na shranjevanju sončne toplote). Poleg tega bomo stremeli tudi k optimiziranju priprave materialov s stališča stroškovne učinkovitosti.
Sodelovanje med partnerji iz različnih raziskovalnih skupin z dolgoletnimi izkušnjami in komplementarnim znanjem bo omogočilo sinergije in iskanje novih inovativnih rešitev tudi v prihodnosti. Konzorcij bo sposoben izvesti projekt tudi zaradi dostopa do najboljše eksperimentalne in računalniške opreme, industrijski partnerji pa bodo omogočili povezava do komercializacije izbranega novega materiala. Cilji projekta so usklajeni s slovenskimi in EU energetskimi načrti.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskave v okviru projekta spadajo na področja energije in okolja in so v zadnjem času pritegnile svetovno pozornost. Učinkovito shranjevanje toplote je eden od primarnih raziskav v Sloveniji in Evropi, saj je ključnega pomena za širšo uporabo sončne toplotne energije in odpadne toplote za ogrevanje, hlajenje in pripravo tople vode. Delež porabljene energije v EU-27 gospodinjstih za ogrevalne namene je med 40% (Južna Evropa) in 80% (Severna Evropa), od tega je več kot 75% še vedno pridobljene iz konvencionalnih fosilnih goriv, ??kot so premog, nafta in zemeljski plin. V slovenskih gospodinjstvih je bilo več kot 65% končne porabe energije v zadnjih letih porabljene za ogrevanje prostorov in dodatnih 15% za pripravo tople sanitarne vode. Po uveljavitvi koncepta nizkoenergijskih stavb (Nearly Zero Energy Building (NZEB)) v letu 2020, bodo pasivne stavbe postale standard v večini evropskih držav, tako da se pričakuje povečanje trga za 1 000 000 stanovanjskih enot. Koncept NZEB vključuje tudi zahtevo po uporabi lokalnih obnovljivih virov energije, kar krepi položaj sezonskih tehnologij za shranjevanje. Potrebe po materialih za shranjevanje toplote so ocenjene na do 2 800 000 ton/leto. Enako rast se pričakuje pri proizvodnji in vzdrževanju sistemov za shranjevanje toplote. Po drugi strani bo pospešeno uvajanje TCS solarnih sistemov v EU omogočilo prihranke primarne energije iz fosilnih goriv do 400 TWh na leto do leta 2030, kar bo povzročilo znatno zmanjšanje emisij toplogrednih plinov.
Pričakujemo, da bodo imeli znanstveni rezultati predlaganega projekta občuten gospodarski učinek, saj bodo omogočili razvoj industrijskih dejavnosti na področju proizvodnje materialov za skladiščenje toplote in zmanjšanje naložbenih tveganj. Z drugimi besedami, s poudarkom na učinkovitosti materialov za shranjevanje toplote, in nizkih stroških surovin in proizvodnih stroškov, bi morali biti razviti materiali dovolj konkurenčni za široko uporabo v sezonskih sistemih za shranjevanje. Zaradi tega lahko industrijski partner na projektu izboljša konkurenčnost s pomočjo inovativnega materiala na domačem in tujih trgih. Optimizirani materiali bodo, po pričakovanju, spodbudili tudi nadaljnje R&D aktivnosti na področju raziskav shranjevanja toplotne energije.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
