MAGAZYNOWANIE
ENERGII
4 WYKORZYSTANIE CIEPA
A REAKCJI CHEMICZNYCH
AKUMULACJA ENERGII TERMICZNEJ
Już w starożytnym Egipcie odpowiednio ukształtowane kanały w ścianach
pozwalały na pasywne ogrzewanie znajdującego się w nich powietrza
energią słoneczną w ciągu dnia i oddawanie energii w ciągu nocy.
PODSTAWOWE METODY
PODSTAWOWE METODY
AKUMULACJI ENERGII TERMICZNEJ
wykorzystanie ciepła wykorzystanie entalpii wykorzystanie ciepła
właściwego substancji przemian fazowych reakcji chemicznych
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Zastosowanie reakcji chemicznych
W tym sposobie magazynowania energii termicznej wykorzystuje siÄ™:
odwracalne reakcje chemiczne,
reakcje, w efekcie których powstanie paliwo.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych odwracalnych
Mechanizm magazynowania ciepła w wyniku reakcji chemicznej
odwracalnej:
Å‚adowanie
r. endotermiczna
Substrat + Ciepło Produkt
r. egzotermiczna
rozładowanie
rozładowanie
W czasie endotermicznej reakcji chemicznej dostarczana energia
cieplna ulega konwersji na energiÄ™ chemicznÄ… magazynowanÄ… w
produkcie/produktach reakcji. Energie odzyskuje siÄ™ w reakcji
odwrotnej.
Zmiany entalpii w reakcjach chemicznych są zazwyczaj dużo
większe niż zmiany entalpii w przemianach fazowych. Gęstość
energii może sięgać 2.106 kJ/m3.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych odwracalnych
Zestawienie reakcji chemicznych będących przedmiotem badań w kierunku
możliwości magazynowania energii.
Reakcja chemiczna "Ho w kJ/mol T*="Ho/"So w K
CaCo3(s)Ô!CaO(s)+CO2(g) 178,3 1110
2SO3(g) Ô!2SO2(g)+O2(g) 198,9 1040
Ba(OH)2(g)Ô!2BaO(g)+2H2(g) 77,3 1029
Ba(OH)2(g)Ô!2BaO(g)+2H2(g) 77,3 1029
CO2(g)+CH4(g) Ô!2CO(g)+2H2(g) 274,4 960
Ca(OH)2(s) Ô!CaO(s)+H2O(g) 109,9 752
NH4HSO4(c) Ô!NH3(g)+SO3(g)+H2O(g) 336,9 740
C6H12(g)Ô!C6H6(g) +3H2 206,2 568
Mg(OH)2(s) Ô!MgO(s)+H2O(g) 81,2 531
2NH3(g) Ô!N2(g)+3H2(g) 92,2 466
"Ho standardowa zmiana entalpii
T*standardowa temperatura
Jeżeli T*Jeżeli T*>T zachodzi reakcja egzotermiczna
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych odwracalnych
Szczególnym przepadkiem magazynowania energii w odwracalnej reakcji
chemicznej jest tworzenie wodorków metali (reakcja uwodornienia):
r. endotermiczna
Å‚adowanie
wodorek metalu H2+metal
wodorek metalu H +metal
r. egzotermiczna
rozładowanie
Pomimo małego stężenia wodoru (2-8% mas.) gęstość magazynu może być
znaczna i np. dla MgH2 wynosi od 3-11 MJ/kg (w zależności od ilości wodoru).
Wodór z wodorków może być uwalniany w zakresie od 80oC (wodorek TiCr2)
do 600oC (wodorek Mg).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie ciepła reakcji chemicznych odwracalnych
Wady i zalety stosowania odwracalnych reakcji chemicznych w celu
magazynowania energii termicznej:
substraty i produkty mogą mieć różne stany skupienia co należy uwzględnić
przy projektowaniu danego układu,
produkty reakcji mogą zostać schłodzone (jeśli reakcja przebiega w
podwyższonej temperaturze),
produkty reakcji endotermicznej mogą (zależnie od typu reakcji) wymagać
odseparowania np. w przypadku możliwości zajścia reakcji egzotermicznej bez
katalizatora),
produkty reakcji endotermicznej mogą być transportowane (np. rurociągiem)
na duże odległości w celu uzyskiwania ciepła tam, gdzie jest ono potrzebne,
wysokie koszty i złożoność układów magazynowych,
układy raczej przeznaczone do długoterminowego magazynowania energii ze
względu na ograniczoną liczbę cykli ładowania i rozładowania,
możliwość transportu zmagazynowanej energii na większe odległości (niż np.
za pomocą ciepłociągów).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Wykorzystanie reakcji chemicznych w celu produkcji paliwa
Mechanizm magazynowania ciepła w wyniku reakcji chemicznej
w celu wytworzenia paliwa:
Powstały produkt musi być
Substrat + Ciepło Produkt
substancjÄ… palnÄ….
Substrat+ O2 Produkty spalania
Najczęściej rozpatrywanym
produktem jest wodór,
jednak mogą to być inne
substancje np. CH4 (metan).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Chemiczna i elektrochemiczna produkcja wodoru
W chwili obecnej stosowanych jest wiele metod produkcji wodoru,
w tym kilka chemicznych i elektrochemicznych. Najprostsza (ale
tylko w zapisie!) jest reakcja wydzielania wodoru z wody
(rozkład wody):
1
1
H O H + O
H2O H2 + O2
2
Przeprowadzenie tej reakcji termochemicznej (tylko z
doprowadzanie ciepła do procesu) jest możliwe w temperaturze
5177°C i z zastosowanie specjalnych membran pozwalajÄ…cych
na rozdzielenie produktów reakcji.
Wytwarzanie wodoru z wody jest uważane za
jedyną metodę, która w przyszłości umożliwi
zastosowanie wodoru w energetyce.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Chemiczna i elektrochemiczna produkcja wodoru
Natomiast przeprowadzenie reakcji:
1
H2O H2 + O2
2
w warunkach normalnych (T=298 K, p=0,101 MPa) wymaga
doprowadzenia pracy równej 228,71 kJ/mol oraz ciepła 13,211
kJ/mol.
Niezbędna praca może zostać doprowadzona w formie energii
elektrycznej w elektrolizerze, stÄ…d minimalna teoretyczna
wielkość energii elektrycznej do produkcji 1nm3 wodoru wyniesie
2,836 kWh.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Chemiczna i elektrochemiczna produkcja wodoru
Aby ominąć wcześniej wspomniane trudności, można stosować
do rozkładu wody cykle cieplno-chemiczne. Istotą tego typu
cykli jest wprowadzenie do reakcji substancji pośrednich, które
na końcu cyklu są odzyskiwane w stanie początkowym
Cyklom takim stawia siÄ™ dwa zasadnicze warunki:
reagenty , wybierane jako substancje pośrednie nie powinny
wymagać wysokich temperatur do zajścia reakcji;
Produkty reakcji powinny zawierać tylko jeden składnik gazowy
aby uniknąć stosowania urządzeń potrzebnych do rozdzielania
substancji (w szczególności błon półprzepuszczalnych).
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Cykle cieplno-chemiczne umożliwiające wytwarzanie wodoru 
cykl żelazo-parowy
Cykl żelazo-parowy jest najprostszym z obiegów (cykli) cieplno  chemicznych
umożliwiających produkcję wodór.
Składa się z dwóch faz (etapów):
Etap I 1 mol Fe3O4 jest podgrzewany od temperatury Tot do temperatury 2100 K . W
tej temperaturze następuje rozkład Fe3O4 zgodnie z reakcją:
1
1
Fe3O4 3FeO + O2
2
Powstały tlen jest schładzany do temperatury Tot a FeO do temperatury 900 K.
W etapie II podgrzana do temperatury 900 K para wodna reaguje z FeO zgodnie z
reakcjÄ…:
FeO + H2O Fe3O4 + H2
Cykl ten może być
również stosowany do
Następnie oba reagenty są schładzane do Tot co zamyka cykl.
produkcji tlenu.
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Cykl cieplno-elektrochemiczne umożliwiające wytwarzanie wodoru 
cykl Mark 11 (Westinghouse Sulphur Cycle)
doprowadzenie ciepła doprowadzenie ciepła (1070K)
wydzielenie tlenu
H2SO4
odparowanie
1
H2SO4 H2O + SO2 + O2
kwasu siarkowego
2
2
H2SO4 H2O
H2SO4 H2O
SO2
separacja tlenu
O2
H2O
elektrolizer
SO2
H2O
H2 2H2O + SO2 H2SO4 + H2
- +
membrana
prąd stały
O2
nieorganiczna
MAGAZYNOWANIE ENERGII TERMICZNEJ
Cykl cieplno-elektrochemiczne umożliwiające wytwarzanie wodoru 
tzw. reakcja Bunsena
H2
H2O
O2
SO2 I2
wydzielenie
wydzielenie
1
wodoru
SO2 + 2H2O + I2 H2SO4 + 2HI
H2SO4 H2O + SO2 + O2
2HI I2 + H2
2
120oC 450oC
doprowadzenie
H2SO4
2HI
ciepła (850-950oC)