Lämpöenergian varastointi faasimuutosmateriaaleilla
Vaihtelevan energiatuotannon ja luonnosta riippuvuuden seurauksena energian varastoinnista ei ole tullut vain olennaista, vaan suorastaan välttämätöntä. Energian tuotannossa hiilineutraaliuden lisäksi toinen tärkeä asia on energian hinta, jolla on suora vaikutus kotitalouksien lompakkoon.
Uusiutuvilla energialähteillä tuotetulle energialle on hyvin yleistä hinnan volatiliteetti ja korkeat hintapiikit. Jotta nämä hintapiikit voitaisiin välttää, täytyy energiaa ottaa talteen silloin kun tuulee ja aurinkopaistaa ja käyttää sitä tuulettomina ja pimeinä tunteina, jolloin energian hinta on korkea. Tämä ei onnistu ilman sähkö- ja lämpöenergian varastointia.
Lämpöenergian varastointi
Lämpöenergiaa varastoidaan yleisesti kolmella päämenetelmällä, joista yleisin on tuntuvan lämmön varastointi (Sensible Heat Storage, SHS). kotitalouksien lämmönvesivaraaja on tästä tyypillinen esimerkki: lämpö sidotaan veteen ilman olomuodon muutosta, eli vesi ei höyrysty eikä jäähdy. Teollisen mittakaavan sovelluksista tuntuvan lämmön varastointimenetelmään kuuluvat myös maalämpökaivot sekä suuret hiekka-akut.
Termokemiallinen lämmönvarastointi (Thermochemical Energy storage, TCES) perustuu käänteiseen kemialliseen reaktioon. Menetelmässä hyödynnetään endotermista reaktiota, jossa materiaali hajoaa lämpötila nostaessa kahdeksi eri komponentiksi (A ja B), jolloin lämpöenergia sitoutuu niiden kemiallisiin sidoksiin. Lämpö vapautuu takaisin käyttöön eksotermisessa reaktiossa, kun komponentit A ja B yhdistetään uudelleen. TCES-menetelmän lämpöhäviöt ovat erittäin pieniä ja energia ei vapaudu ennen kuin A ja B sekoitetaan uudelleen keskenään.
Tämän artikkelin pääaihe, latenttilämmönvarastointimenetelmä (LHS), on herättänyt paljon huomiota. tämä johtuu siitä, että menetelmässä energiavaraajana toimivat faasimuutosmateriaalit (PCM) ovat ympäristöystävällisiä, edullisia ja niitä on luonnossa runsaasti. Latentissa lämmönvarastoinnissa aineen olomuoto muuttuu, mutta se ei hajoa kemiallisesti. Mikä tahansa PCM-materiaali voi muuttua kiinteästä nesteeksi tai kaasuksi ja päinvastoin. Jokaisen aineen energiatarve olomuodonmuutokseen on kuitenkin erilainen. Mitä enemmän aineen olomuoto siirtyy kohti kaasumaista muotoa, sitä enemmän se tarvitsee energiaa.
LHS-lämmönvarastoinnissa hyödynnettävien PCM-materiaalien olomuodonmuutos tapahtuu yleensä kiinteän ja nesteen välillä. Aine muuttuu nesteeksi sitoessaan lämpöenergiaa, ja luovuttaessaan lämpöä se palautuu takaisin kiinteäksi. Lämmönvarastoinnissa käytettävät PCM-materiaalit voidaan jakaa karkeasti kahteen pääryhmään: epäorgaanisiin ja orgaanisiin faasimuutosmateriaaleihin.
Plentigrade P58
Plentigrade P58 on suolahydraattipohjainen, joka kuuluu epäorgaanisiin faasimuutosmateriaaleihin. Sen kemiallinen nimi on Natriumasetaattitrihydraatti (CH3COONa.3H2O). Aineen koostumuksessa on yksi natriumioni (Na+), yksi asetaatti-ioni(CH3COO–) ja kolme vesimolekyyliä (3H2O).
Plentigrade P58 sulamislämpötila on 58 °C, ja sen energiatiheys on neljä kerta suurempi veteen verrattuna. Esimerkiksi 1l Plentigrade voi varastoida 4 kertaa enemmän energia kuin 1 litra vettä. Suurin osa aineen energiasta vapautuu juuri olomuodonmuutoksen hetkellä, ja sen latenttilämpö on 265 kJ/kg. Valmistajan mukaan materiaali on erittäin suorituskykyinen, eikä sen toiminnassa havaita heikkenemistä ainakaan 10 000 syklin aikana. eli aineen
Sunamp Thermino
Sunamp on maailman johtava lämmönvarastointiteknologian kehittäjä ja akkujen valmistaja, joka hyödyntää akussaan Plentigrade P58 -materiaalia. Sunampin Akut ovat integroitavissa uusiutuviin energianlähteisiin siten että akkua voidaan ladata maalämpöpumpulla, aurinkosähköllä ja ilmalämpöpumpulla.
Turun Ammattikorkeakoulun laboratoriossa testattiin Sunamp Thermino 150 xPlus -lämpöakkua, ja sen lämpötehon määrittämiseksi suoritettiin useita mittauksia. Alkumittauksessa akun lataaminen verkkosähköllä kesti hieman yli 3 tuntia. latausaika määräytyi akun sisäisen 2800 W:n lämmitysvastuksen tehon mukaan, ja akkuun varastoitiin kaikkiaan 8,6 kWh lämpöenergiaa. Mikäli lataukseen käytettäisiin 7kW:n tehosta lämpöpumppua, latausaika lyhenisi merkittävästi. Purkausvaiheessa järjestelmästä saatiin hyödynnettyä 8,2 kWh energiaa. Purkausvaiheen aikana mitatun datan pohjalta laskettiin akun hetkellinen teho ja muodostettiin sen pohjalta akun tehokäyrä.
Muodostettu tehokäyrän perusteella huomattiin, että akun keskimääräinen teho on 15 kW. Tulokset osoittavat Sunamp xPlus -lämpöakun kykenevän korkeaan hetkelliseen tehoon faasimuutosalueella, jossa latenttilämmön vapautuminen on intensiivistä. Akun huipputeho saavuttaa testin alkuvaiheessa noin 31 kW:n tason, minkä jälkeen teho stabiloituu noin 25kW:iin veden lämpötilan ollessa 50–58 °C välillä.
Purkauksen alussa teho nousee erittäin jyrkästi ja saavuttaa 31 kW:n huippuarvoon noin kahden minuutin kohdalla ja noin viiden minuutin kohdalla teho vakiintuu ja asettuu tasaiselle, noin 25 kW:n tasolle, jossa se pysyy noin kahdeksan minuutin ajan joka kuvaa prosessin kriittisintä vaihetta, jossa Plentigrade-PCM- materiaalin faasimuutos on suurimmillaan ja varastoitunut latenttilämpö vapautuu materiaalin jähmettyessä. Faasimuutosprosessin aikana lämpötila pysyy lähes vakiona noin 55 °C:ssa, mikä pitää purkaustehon tasaisena.
Lähteet
Mirseyedi, D. (2026). Faasimuutosmateriaalit energiavarastona[Opinnäytetyö, Turun ammattikorkeakoulu].
Sunamp Thermino. (n.d.). Sunamp Xplus. https://sunamp.com/en-gb/thermino-xplus/