Napjainkban, ha akarjuk, ha nem, egyre fontosabb szerepet játszik a tudatos energiafelhasználás, mely szerep a jövőben csak nőni fog. Cikkünkben a “hőenergia” egy lehetséges eltárolási módjáról, a fázisváltó anyagokról lesz szó.

Mint mindent, ezt is érdemes az elején kezdeni a későbbi félreértések elkerülése végett: tehát hogyan is képes egy anyag az energia tárolására.

Fizikai bevezető

Ebben a rövid fejezetben az energia tárolásáról lesz egy rövid fizikai áttekintő. Aki tudja, mi az a fajhő, és a termodinamika I-II. főtételével jó barátságban van, nyugodtan lapozza át a fejezetet.

Az anyagok egy adott halmazállapotukban és adott hőmérsékleten egy adott energiát képesek eltárolni - igaz, hogy egészen pontosan mennyit, az anyagfüggő. Az egyszerűség kedvéért vegyünk egy kancsó (kb. 1 liter) jó meleg, 88 °C-os vizet. Ezek a paraméterek meghatározzák, hogy a víz szobahőmérsékletre (25 °C) hűlésével mennyi energia “nyerhető” a vízből: durva közelítéssel élve 264,6 kJ (kilojoule) . Ez körülbelül megfelel 1 db 1 méter hosszú átlagos radiátor ~ 4 és fél perces üzemideje alatt leadott hővel.

Aki nem hiszi, vagy csak kíváncsi a részletekre:  a víz fajhője szorozva a hőmérséklet különbséggel (88°C - 25°C) szorozva a víz tömegével = 4200 J/(kg°C) * 63°C * 1 kg = 264600 kJ = 264,6 kJ. 

Viszont jelentős energia szabadul fel akkor is, amikor az anyag például halmazállapot-változáson, vagy fázisátalakuláson megy keresztül. Elég egyszerű példa a jég felolvadása az üdítőnkben. A jég hőmérséklete (legalábbis eleinte) nem változik, környezetétől (amely jelen esetben az üdítőnk) elvonja a szükséges energiát azért, hogy vízzé változzon, tehát röviden és velősen halmazállapotváltozás történik (és persze aztán a 0 fokos víz tovább melegszik míg az üdítő hűl, egészen az egyensúlyi hőmérséklet beállásáig). Mi pedig örülünk, hiszen azt szeretnénk, hogy hideg legyen az üdítőnk.

Az előző számoláshoz kapcsolódva összehasonlításképpen 1 kg jég olvadásával felszabaduló energia a következő módon számítható: jég tömege megszorozva a jég olvadáshőjével = 1 kg * 333,7 kJ/kg = 333,7 kJ. Ebből is látszódik, hogy a fázisátalakulás nem elhanyagolható energia-felszabadulással jár.

Egy másik lehetséges példa, amely az előző ellentettjének is felfogható: van egy vasárnapi jó adag húslevesünk és ezt szeretnénk otthon a főzőlapon megmelegíteni, de az valamiért nem működik. Viszont öreganyánk a vásárban vett egy áttetsző dobozt, amely az eladó szerint a hideg húslevesből meleget csinál. A dobozban valami folyékony takonyszerűség van. Ha beleteszed a húslevesedbe, azt tapasztalod, hogy a dobozban lévő takony eléggé szilárddá változott, a leves meg valóban felmelegedett. Mi lehetett az a takony a dobozban, amely képes a húslevest jól felmelegíteni? Mi más, mint fázisváltó anyag! (legalábbis reméljük)

Rövid bemutatkozás

Nos, tehát a test, vagy anyag hőmérséklete arányos az anyagban megbújó energiával, azonban az anyag jelentős energiát képes az adott fázisában, halmazállapotában  is eltárolni.

Szóval a fázisváltó anyagok (PCM - Phase Change Material) definíció szerint olyan energiatároló anyagok, melyek a látens hőt felhasználva nagyobb energiasűrűséggel képesek az energiát tárolni. Egységnyi térfogat esetén a rejtett hőtárolás segítségével nagyobb energiasűrűséget lehet elérni, mivel nem csak a fajhő, hanem az olvadás- esetleg párolgáshő is felhasználható a hőátadási folyamatoknál.

Alkalmazásuk rendkívül széleskörű, mivel különböző kémiai módszerekkel olvadáspontjuk széles skálán változtatható. Az anyag olvadása közben hőt vesz fel a környezetéből, fagyás közben pedig hőt ad le. Olvadási hőmérsékleteiket figyelembe véve több csoport különböztethető meg, a tárolt energia felhasználását tekintve:

• 25 °C alatt hűtési alkalmazásokra, „hideg” energia tárolására,
• 25 °C felett fűtésre,
• 90 °C fölött abszorpciós hűtésre,
• 200 °C felett pedig naphőerőművekben használható.

Mielőtt bárki is azt hinné, hogy ez valami hiper-megaúj és eddig a gyíkemberek által tökéletesen titkolt technológia, nos el kell árulnom...nem, egyáltalán nem új.

A hűtőszekrények térhódítása előtt is hidegen kellett tartani a húst, vagy zöldséget, gyümölcsöt, azok minőségének hosszú távú megőrzése érdekében. Erre a célra például pincébe tették a fentebb említett elemózsiát, vagy egy nem túl mély verembe, ahova havat/jeget helyeztek el  tél idején, így tavasz közepéig, vagy az időjárástól függően tovább is fenntartható volt 1-2 °C-os hőmérséklet. Sőt van olyan svéd kórház (érdemes a linkre kattintva elolvasni), ahol ezt a hűtési technikát alkalmazzák a mai napig. A működési elv egyszerű és brilliáns: a hó olvadásával a megolvadt hólét összegyűjtik és megfelelő szűrőrendszer után a hőcserélőbe vezetik, ahol felmelegszik, miközben a hőcserélő túloldalán a kórházban keringetett hűtővíz lehűl.

A hó hűtésű rendszer Móricka-ábrája (Forrás)

Előnyök és hátrányok

Az előzőekből is kiderül, hogy a fázisváltó anyagok előnyei közé sorolható, hogy nagy energiasűrűséggel képesek hőt tárolni, a hőmérsékleti ingadozást kiegyenlíteni, emellett rendkívül hely- és költséghatékonyan képesek minderre. De mint mindennek, így a fázisváltó anyagoknak is vannak negatív tulajdonságai. Az ilyen anyagokra általánosságban igazak, hogy rosszul vezetik a hőt, több ciklus után változhatnak a fizikai és kémiai tulajdonságaik, illetve vannak olyanok, amelyek vagy reagensek, vagy korrozívak, vagy gyúlékonyak. Vagy mindegyik.

Az ideális anyag nagy látens hővel és megfelelő hővezetési tényezővel rendelkezne, a felhasználás szempontjából megfelelő hőmérsékleti tartományba esne a fagyáspontja, állandó olvadási tulajdonságokkal rendelkezne, olcsó lenne, nem mérgező, nem korrozív és nem gyúlékony. Ezek megvalósításához különböző adalékanyagokat kevernek a PCM-ekhez, melyekkel az egyes tulajdonságok javíthatók.

Tárolhatóság

Felmerül egy nagyon egyszerű, viszont annál fontosabb kérdés, oké hogy vannak ezek a rendkívül hasznos anyagok, de miben tároljuk el őket? A fázisváltó anyagokat minden esetben használatukhoz alakítva tárolják az annak legmegfelelőbb módon. Így tárolásuk történhet például:

• táblákban
• mikrokapszulákban
• vagy szőnyegszerűen

(Forrás: Andrássy Zoltán)

Az 1. ábra a táblás kialakítást szemlélteti. Az anyag így könnyebben kezelhető, gyorsabban beépíthető és az állandó rétegvastagság is biztosított. Hosszabb ideig tudja tárolni az energiát, viszont a hőátadási tulajdonságai rosszabbak, a hőátadó felülete fajlagosan kisebb. A tárolt anyagban fázis szegmentáció alakulhat ki, ilyenkor egymástól elkülönült gócok szilárdulnak meg és ezek nem minden esetben tudnak egyesülni. Alkalmazható mérgező, korrozív vagy éghető anyag is, ha a határolófalak ezekkel szemben ellenállóak.

A 2. ábra szerinti mikrokapszulás kialakításnál nő a hőátadó felület, ezzel javul a hőátadás. A fázisváltással járó sűrűségváltozás következtében ezek a kapszulák állandó dinamiker réteg megsérülhet és a fázisváltó anyag kiömölhet, ezért nem lehet korrozív, mérgező vagy gyúlékony anyag tárolására használni.

A 3. ábra a szőnyegszerű kialakítást mutatja, mely a kapszulás tárolás egyik változata. Főleg az épületgépészetben használják, falszerkezetekhez rögzítve.

Hétköznapi alkalmazásuk

A különböző PCM-ek különböző határok között képesek feladatuk ellátására, így felhasználási lehetőségük szinte korlátlan. Habár érintőlegesen szóba kerültek alkalmazások, mégis vegyünk sorra (még) egy-két hétköznapibbat!

“A kávét melegre kérem de nem túl forróra!” hangzik el a mondat, a kedves vendég szájából, akinek egy külön helyet kívánsz a pokolban. A megoldás egy intelligens kávéscsésze! A fázisváltó  csésze méhsejtszerű falába hővezető alumíniumszalag van vezetve, az üregeket paraffinnal töltik meg, melynek olvadáspontja 58°C. A forró kávét/teát a csészébe öntve a paraffint megolvasztjuk (ezzel hűl a benne lévő folyadék, hamarabb iható hőmérsékletű lesz) és ez az átadott hő elegendő ahhoz, hogy kávénk/teánk hőmérsékletét hosszabb ideig állandó értéken tartsuk.

Fázisváltó anyag beleépíthető például síruhába is. Ennél az alkalmazásnál az anyag szálai közé van beleszőve a PCM. Mikor a síelő mozog, és megizzad, a ruha felveszi a felesleges hőmennyiséget, így a sportolónak nem lesz melege, és a PCM fel tud olvadni. Ha a síelő nem végez mozgást (a felvonón ül és fújja a kellemes sarki szél) a fázisváltó anyag leadja az előzőleg felvett hőt, felmelegíti az embert, miközben megfagy. Mármint nem a síelő, hanem az anyag.

Ipari alkalmazás: egy magyar startup meghódítja a világot?

Meglepő módon a fázisváltó anyagokkal, habár széles körben elterjedtek, nem nagyon foglalkoztak kis Hazánkban az ipari méretű felhasználás lehetőségével.

Farkas Rita és Andrássy Zoltán által tervezett fázisváltó anyagos hőtároló (forrás: Andrássy Zoltán)

A BME-n 2012-ben történt egy kísérlet ezzel kapcsolatban, hiszen Andrássy Zoltán és Farkas Rita TDK dolgozatában egy háztartásba épített fázisváltó anyagos hőtároló rendszerrel foglalkoztak. A több éves kutatás kísérletezés, modellezés végül rendkívüli módon meghozta a sikert, hiszen több megnyert verseny (pl.: OTDK) és rengeteg konferencia után, úgy gondolták belépnek a piacra, és megalapították a HeatVentors nevű céget. Az általuk tervezett fázisváltó-anyagos hőtároló felhasználható például szervertermekben és nagyobb méretű fűtési rendszerekben is. Több nagy multinacionális vállalattal tárgyaltak a világ számos pontján (USA, Kína), és nagyon úgy tűnik, hogy a dolog alakul.

Ha tetszett a cikkünk, és szeretnétek értesülni a legújabb bejegyzéseinkről, kövessetek minket facebookon!

Következő cikkünk két hét múlva (2018.05.18.) fog megjelenni!

Források

Andrássy Zoltán, Farkas Rita: Fázisváltó anyagok alkalmazása fűtéskorszerűsítés-re, TDK dolgozat, 2013
Andrássy Zoltán, Farkas Rita: Fázisváltó anyagok alkalmazása falszerkezetekben, TDK konferencia, 2014
Mohammed M. Farid, Amar M. Khudhair, Siddique Ali K. Razack, Said Al-Hallaj: A review on phase change energy storage: materials and applications. Energy Conversion and Management 45 1597–1615 (2004).
Árokszállási Kálmán: Hőtárolás a jövő technológiája. Roxa Kft. Érd. 2001.