Projekti / Programi
Napredni materiali za shranjevanje toplotne energije
| 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 |
shranjevanje toplotne energije, adsorpcija, sorpcijski materiali, zeoliti, aluminofosfati, mezoporozni silikati, MOF, kompoziti, priprava materialov, karakterizacija materialov
Raziskovalci (8)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.997 |
Povzetek
Dobro poznavanje termokemičnih lastnosti materialov je ključnega pomena pri skoraj vsaki njihovi uporabi. Pomemben del raziskav predstavlja študij vpliva, ki jo ima struktura materialov na termične lastnosti. Energijska gostota, termična moč in temperaturni nivo aktivacije in deaktivacije opisujejo lastnosti shranjevalnikov toplotne energije. Osnovni namen naše raziskave je študij odvisnosti med strukturo novih mikroporoznih in mezoporoznih materialov ter njihovo zmožnostjo shranjevanja toplotne energije. Mikroporoznih in mezoporozni materiale uvrščamo v skupino nanostrukturiranih trdnih snovi, ker so njihovi osnovni delci nano dimenzij z veliko površino. Nanostrukturirani sistemi imajo običajno izboljšane transportne lastnosti v primerjavi z mikroskopskimi, dodaten vpliv pa se pojavlja kot povezava med nanostrukturiranim sistemom ter njegovim karakterističnim termičnim transportom. Cilj naše raziskave je ugotoviti in razumeti te odvisnosti z namenom razviti, izpopolniti ter v končni fazi pripraviti želene materiale s specifičnimi sposobnostmi shranjevanja toplotne energije.
Osnovni namen raziskave je razvoj novih sistemov za shranjevanje toplotne energije, to je sinteza in karakterizacija novih sorpcijskih materialov. Materiali, ki jih bomo pripravili s hidrotermalno sintezo, bodo mikroporozne in mezoporozne trdne snovi in njihovi kompoziti. Mikroporozno in mezoporozno ogrodje bomo funkcionalizirali s higroskopičnimi hidrati anorganskih soli in aktivnimi kovinskimi mesti v porah z mokro impregnacijo in depozicijo. Materiale bomo karakterizirali s številnimi modernimi inštrumentalnimi tehnikami z namenom določiti njihovo kristalinično strukturo, čistost nastalih faz ter strukturno ureditev mikro/mezoporoznega ogrodja. Raziskali bomo tudi termično stabilnost, dinamiko dehidratacije ter s tem povezane strukturne spremembe pripravljenih materialov. Raziskali bomo morfologijo nastalih materialov ter jim določili še druge pomembne fizikalne karakteristike, predvsem urejenost in karakteristike por, porazdelitev dimenzij delcev ter adsorpcijske izoterme. Prav tako bomo optimizirali strukture adsorbentov z namenom povečanja gostote shranjene energije (količina shranjene energije na enoto prostornine) in povečanja efektivnosti shranjevanja (delež energije, ki ga lahko izkoristimo po določenem obdobju hrambe glede na prvotno shranjeno energijo) ter sinteze novih materialov z natančno študijo njihovih strukturnih in termokemičnih lastnosti. Raziskave bodo razdeljene v tri dele: (1) sinteza hidrofilnih mikroporoznih in mezoporoznih trdnih snovi in njihovih kompozitov, sestavljenih iz poroznega ogrodja in higroskopnih anorganskih soli vgrajenih v pore ogrodja, (2) strukturna karakterizacija sintetiziranih kompozitov in sorpcijskih materialov, (3) študij termokemičnih lastnosti sintetiziranih materialov. Le-te bodo narejene v Bavarian Center for Applied Energy Research v skupini Heat Storage Systems.
Razvoj novih sistemov za shranjevanje toplotne energije je odločilen za širšo uporabo sončne anergije in energije odpadkov za domačo in industrijsko uporabo. Z izboljšanjem učinkovitosti obstoječih materialov za shranjevanje energije, lahko izboljšamo učinkovitost večine pretvornikov toplote in s tem povezanih tehnologij. To je posebej pomembno za uporabo obnovljivih virov energije in toplote odpadkov, ko je prisotno izrazito neskladje med proizvodnjo in porabo energije. Razvoj materialov za tehnologije shranjevanja z izboljšanim delovanjem, obstojnostjo/zanesljivostjo sistema, nižjimi stroški bo imel izredno pozitiven učinek tudi na razvoj drugih sistemov z obnovljivimi viri energije. Pridobljeno znanje in izkušnje bodo tudi omogočili naši raziskovalni skupini aktivnejše sodelovanje v mednarodnem projektu IEA Task 4224 (2009–2012).
Pomen za razvoj znanosti
V Evropi se za ogrevanje prostorov porabi zelo visok delež fosilnih goriv. S tem pa je povezano onesnaževanje ozračja in visoki izpusti CO2. Shranjevanje toplotne energije je ključni del vseh novejših sistemov za potrebe ogrevanja in ohlajanja. Razvoj materialov za tehnologije shranjevanja z izboljšanim delovanjem, obstojnostjo in zanesljivostjo sistema ter nižjimi stroški ima pozitiven učinek tudi na razvoj drugih sistemov z obnovljivimi viri energije. Za izboljšanje tehnologij shranjevanja enegije imajo daleč najpomembnejšo vlogo uporabljeni materiali. V projektu smo se osredotočili na razvoj novih adsorpcijskih materialov in razvoj novih sistemov za shranjevanje toplotne energije (za sorpcijsko shranjevanje toplote, ki temelji na reverzibilnem fizikalno-kemijskem procesu: sorpcija / desorpcija vode na poroznih trdnih adsorbentih); to je sinteza in karakterizacija novih sorpcijskih mikroporoznih in mezoporoznih materialov ter študij odvisnosti med strukturo teh materialov ter njihovo zmožnostjo shranjevanja toplotne energije. Sorpcijski materiali za shranjevanje toplotne energije, ki smo jih pripravili hidrotermalno, so mikroporozne in mezoporozne trdne snovi in njihovi kompoziti. Mikroporozno in mezoporozno ogrodje smo funkcionalizirali s higroskopičnimi hidrati anorganskih soli, kot je CaCl2. Materiale smo karakterizirali s številnimi modernimi inštrumentalnimi tehnikami z namenom določiti njihovo kristalinično strukturo, čistost nastalih faz ter strukturno ureditev mikro/mezoporoznega ogrodja. Raziskali smo tudi termično stabilnost, dinamiko dehidratacije ter s tem povezane strukturne spremembe pripravljenih materialov. Prav tako smo optimizirali strukture adsorbentov z namenom povečanja gostote shranjene energije in povečanja efektivnosti shranjevanja. V okviru triletnega raziskovalnega projekta smo v celoti dosegli in celo presegli raziskovalne cilje. Razvili smo več novih obetavnih sistemov za shranjevanje toplotne energije pri nizkih (sončna energija) in srednjih temperaturah (do 350oC), in sicer s sintezo in strukturno karakterizacijo novih sorpcijskih materialov z vodo kot adsorbatom. Razvili smo nov mikroporozni aluminofosfatni adsorbent APO-Tric za vodo kot sorpcijski hranilnik toplote za sezonsko shranjevanje toplote, v katerega bi poleti z desorpcijo vode lahko shranili toploto, pozimi pa bi z nadzorovano adsorpcijo vode sproščeno toploto uporabili za ogrevanje. S primerjalno termogravimetrično in kalorimetrično študijo sorpcije vode v aluminofosfatne materiale z majhnimi porami (SAPO-34, AlPO4-18 in APO-Tric) smo pokazali, da je formiranje visoko urejenih vodnih klastrov gonilna sila za nenadno sorpcijo vode v ozkem tlačnem območju, kar je potrebno za uporabo v shranjevalnih sistemih oziroma je bistveno za učinkovito shranjevanje toplote. Material je vzbudil precejšnjo pozornost in zato so bili rezultati teh raziskav objavljeni v prestižni reviji Advanced Functional Materials. Sicer smo svoja dognanja in rezultate raziskav objavili v treh znanstvenih člankih z IF od 3.4 do 9.8 in več poljudnih člankih, jih predstavili na mednarodnih konferencah kot predavanja in kot postre ter imeli vabljena predavanja na konferencah in na tujih univerzah. Zaključeni temeljni projekt ima tudi veliko uporabno vrednost. Razvili smo sintezni postopek za pripravo zeolita NaX in ga prenesli na pol-industrijski nivo v tovarni Silkem v Kidričevem. Prenos iz 250 ml na 1300-litrski reaktor je bil uspešen. V tovarni so pripravili dobro kristaliničen granuliran zeolit NaX. Kažejo se možnosti implementacije, saj so se z nami povezali strokovnjaki iz Slovenije in Avstrije, ki sestavljajo sorpcijsko-shranjevalne sisteme na osnovi granuliranega zeolita. Od leta 2013 je dr. Ristićeva vodja delovne skupine za Inženiring materialov v okviru IEA joint SHC ECES Task/Annex 42/29 “Compact Thermal Energy Storage: Material Development for System Integration “.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati raziskav na področju materialov za shranjevanje toplote so za Slovenijo izredno pomembni. V razvitih državah dandanes namreč že preko 50% energije porabimo za ogrevanje in hlajenje stavb v gospodinjstvih in v industriji. Če bi kot vir energije za ogrevanje lahko v še večji meri uporabili sončno energijo, bi to prineslo daleč največje prihranke pri proizvodnji energije in daleč največje zmanjšanje pri izpustih CO2. Študij materialov za shranjevanje toplote je namenjen prav temu vprašanju, namreč, kako uskladiščiti sončno energijo, ki jo imamo na voljo preko toplega dela leta, da bi jo v hladnem delu leta lahko uporabili za ogrevanje. S svojim delom v okviru projekta in v sodelovanju z drugimi evropskimi raziskovalnimi skupinami (ZAE Bayern, Fraunhofer ISE Frieburg) smo prispevali k rešitvi tega vprašanja. Zaključeni temeljni projekt ima namreč tudi veliko uporabno vrednost. Razvili smo sintezni postopek za pripravo zeolita NaX in ga prenesli na pol-industrijski nivo v tovarni Silkem v Kidričevem. Prenos iz 250 ml na 1300-litrski reaktor je bil uspešen. V tovarni so pripravili dobro kristaliničen granuliran zeolit NaX. Kažejo se možnosti implementacije, saj so se z nami povezali strokovnjaki iz Slovenije in Avstrije, ki sestavljajo sorpcijsko-shranjevalne sisteme na osnovi granuliranega zeolita. V zadnjih letih je Dr. Alenka Ristić zelo aktivna v International Energy Agency - IEA združenju, natančneje v IEA SHC ECES joint Task/Annex 42/24 (2009-2012) in 42/29 (2013-2015) »Compact thermal energy storage material development for system integration«. Oktobra 2013 je tako organizirala 10. mednarodno strokovno srečanje v okviru IEA joint SHC ECES Task/Annex 42/29 “Compact Thermal Energy Storage: Material Development for System Integration” na Kemijskem inštitutu. Srečanja se je udeležilo 35 strokovnjakov iz celega sveta. Za promocijo Slovenije in slovenske znanosti je njeno aktivno delovanje v IEA združenju v zadnjih letih izjemno pomembno. Dr. Tadeja Birsa Čelič je v okviru svoje doktorske naloge Razvoj poroznih kovinsko-organskih adsorbentov za shranjevanje plinov in toplote preučevala kovinsko-organske porozne materiale, to je kristalinične materiale zgrajene iz kovinskih oksidnih enot, ki so med sabo povezane z organskimi ligandi. Za te materiale so značilne izredno velike specifične površine in nizke gostote, zaradi česar so zelo zanimivi za shranjevanje vodika, shranjevanje in ločevanje ogljikovega dioksida in metana ter za shranjevanje energije. Nataša Zabukovec Logar je v vabljenem predavanju na 1. Euro-Azijski Zeolitni konferenci (Macao, Januar 2013) predstavila osnovne koncepte shranjevanja toplote, s poudarkom na sorpcijskem shranjevanju toplote v aluminofosfatnih in kovinskoorganskih poroznih materialih. Pripravljeni so bili obetajoči kompozitni vodni sorbenti za shranjevanje sončne energije. Z mokro impregnacijo z raztopino kalcijevegs klorida sta bila pripravljena dva različna sorpcijska kompozita za vodo, eden z neurejeno mesostrukturno matrico iz železovega silikata, drugi pa z urejeno mezoporozno silikatno matrico. Njune strukturne in vodne sorpcijske lastnosti so bile predstavljene na mednarodnem simpoziju 5th International Symposium Advanced Micro- and Mesoporous Materials v Varni 2013. Novi hranilniki bodo omogočili trajno shranjevanje toplote - v članku v poslovnem časopisu z najvišjo odmevnostjo v Sloveniji je bilo na poljuden način predstavljeno področje shranjevanja energije, najnovejše tehnologije in lastne raziskave na tem področju, ki so v svetovnem vrhu (Gospodarski vestnik; Finance; 2012: Zabukovec Logar Nataša). Vse zgoraj omenjene objave rezultatov naših raziskav so za Slovenijo zelo pomembne, saj nas uvrščajo med države, v katerih so raziskave na področju materialov za shranjevanje toplotne energije na najvišjem svetovnem nivoju.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2010,
2011,
2012,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
