Vi kan gemme sommerens varme i flydende salt
Store mængder CO2 lukkes dagligt ud i atmosfæren, og opvarmning af boliger og vand er en stor synder. Men hvad hvis man kan gemme sommerens sol og opvarme boligen med den om vinteren? Den mulighed har et nyt ph.d.-projekt undersøgt.
sommer varme solfanger

Med solfangere kan man udvinde varme fra solen. Men behovet for varme falder ikke altid sammen med, hvornår solen skinner, og det er derfor nødvendigt at finde ud af, hvordan man kan lagre sommerens varme. (Foto: Shutterstock)

Klimaforandringerne er over os, og CO2-udslip fra fossile brændsler er den helt store synder. For at tage kampen op med den høje mængde CO2, som vi slipper ud i atmosfæren, er vi nødt til at udvikle vores teknologi.

Teknologisk udvikling kan være med til at gøre samfundet bæredygtigt ved at erstatte de ikke-vedvarende energisystemer, vi har installeret i vores huse. I stedet skal vi have langsigtede, rene og grønne løsninger. 

Historien kort
  • I et ph.d.-projekt på DTU er der blevet udviklet og testet prototyper af varmelagre og bygget et pilot-anlæg i fuld skala, hvor varme fra sommersolen gemmes i flydende salt til om vinteren.
  • Princippet bag er det samme, som man kender fra de små håndvarmere som indeholder et flydende salthydrat, hvor man ved at knække en metaldisk frigør en saltkrystal, som starter en størkningsproces, der frigiver varme.
  • Projektet har vist, at det er muligt at benytte princippet fra håndvarmere til at gemme nok varme til at opvarme et enfamiliehus om vinteren. 

Med nutidens teknologi kan vi udvinde energi fra vedvarede energikilder som sol og vind. Problemet er bare, at behovet for energi ikke altid falder sammen med, hvornår solen skinner, og vinden blæser.

Lagring af energi er derfor af central betydning, hvis et samfund uden fossile brændsler skal realiseres.

Kan vi lagre sommersolen, til det bliver vinter?

I Danmark, som i mange andre lande verden over, bruger vi en betydelig del af vores energiressourcer på opvarmning af brugsvand og boliger.

Varmt brugsvand og boliger skal ikke opvarmes til specielt høje temperaturer, og det kan forholdsvis nemt nås med solfangere, hvor solstråling udnyttes til at opvarme vand.

I et normalt solvarmeanlæg gemmes varme ved at opvarme en vandtank. Herfra er der dog et løbende varmetab til omgivelserne, som betyder, at temperaturen i vandtanken falder langsomt, og på et tidspunkt vil den være under det ønskede niveau.

I praksis vil lagringsperioden være få dage, hvilket er tilstrækkeligt til at dække hovedparten af en boligs varmtvandsbehov i sommerperioden. I hvert fald hvis solen skinner et par gange om ugen.

Om vinteren derimod, hvor der er meget begrænset solstråling til rådighed og et stort behov for rumopvarmning, kan et almindeligt solvarmeanlæg ikke dække varmebehovet for en bolig.

Der er derfor et behov for at lagre varme over længere perioder, end man kan i en vandtank – for eksempel fra sommer til vinter. Man skal altså have et sæsonvarmelager, som kan sikre boliger varme fra grøn solenergi – også om vinteren.

Flydende salt og sommerens sol

Men hvordan bærer man sig så ad, hvis man vil lagre sommerens sol i et sæsonvarmelager?

I mit ph.d.-projekt har jeg netop undersøgt muligheden for at udnytte et uskadeligt salthydrat til at lagre sommersolen til opvarmning af boliger om vinteren.

I løbet af ph.d.-projektet er der blevet udviklet og testet prototyper af varmelagre og bygget et pilot-anlæg i fuld skala på DTU, hvor varme fra sommersolen gemmes i flydende salt til om vinteren.

Med et færdigudviklet lager vil et koncept med solvarmeanlæg og sæsonvarmelager give mulighed for at gøre boliger selvforsynende med varme hele året rundt.

Det være et oplagt løsning til at udskifte for eksempel oliefyr i områder uden for fjernvarmenetværk. Dermed kan man gå hele vejen fra et opvarmningssystem baseret på fossil brændsel til et fuldstændigt vedvarende energisystem baseret på solenergi. 

solvarme anlæg diagram

Illustrationen viser, hvordan man indsamler solens energi med solpaneler, hvorefter det gemmes i tanke med salt. På et senere tidspunkt kan man benytte denne energi til at opvarme sit hus. (Illustration: Jakob Berg Johansen)

Vi kender princippet fra håndvarmere

Princippet, hvorved varmen kan lagres over lange perioder, kendes fra de små håndvarmere, som man kan bruge til at holde fingrene varme på en kold ski- eller jagttur.

Indholdet af håndvarmerne er et simpelt og ufarligt salthydrat – natriumacetat trihydrat. Når saltet varmes op, smelter det ved 58 °C og bliver flydende. Ved smeltningen optages en betydelig mængde energi – den såkaldte smeltevarme. Når saltet er helt smeltet, kan det køle ned til omgivelsernes temperatur, uden at det størkner igen.

I denne såkaldte underafkølede tilstand er den energi, som gik til at smelte saltet, lagret. For at få saltet til at krystallisere og dermed frigive smeltevarmen, skal der ske en påvirkning af det underafkølede salt. Dette kan for eksempel være at tilføre et saltkrystal til det underafkølede salthydrat, hvorfra krystalliseringen vil starte. 

Når først krystalliseringen er begyndt, vil den spredes til resten af saltet. I håndvarmerne starter størkningen ved hjælp af en lille metaldisk i det underafkølede salt. I den lille metaldisk er der små revner, hvor saltkrystaller sidder gemt ved et højt tryk. 

håndvarmer sol energi salt

De små håndvarmere indeholder et flydende salthydrat. Ved at knække en metaldisk frigør man en saltkrystal, som starter en størkningsproces, der frigiver varme. (Foto: Mark Dannermand)

Når disken bøjes, frigives saltkrystallerne til det underafkølede salt, som starter størkningen, som vil sprede sig til hele volumen. Fra håndvarmerne er det altså kendt, at varme kan lagres over lange perioder – i hvert fald i mindre mængder.

Salt kan opvarme enfamiliehuse

Ved at udnytte denne underafkøling er det muligt at lagre varme over lange perioder uden varmetab. Og i mit ph.d.-projekt har vi undersøgt muligheden for at opskalere konceptet til en størrelse, der er stort nok til at opvarme et enfamiliehus.

For at teste det, byggede vi i laboratoriet en række varmelagermoduler i fuld skala, som tilsammen udgør et varmelager. Lageret er opbygget af individuelle moduler, som kan oplades og aflades individuelt med en passende effekt. De testede moduler indeholdt hver op til 220 kg saltblandinger, hvilket kan lagre energi nok til at opvarme et hus med lavt energiforbrug et par dage.

Ideen er at udnytte varme fra solen om sommeren til at smelte saltet, og herefter gemme det til opvarmning af huse om vinteren. Solvarmen opfanges ved hjælp af solfangere og overføres til saltlageret ved hjælp af et system af pumper, rør og varmevekslere.

Saltlageret er opbygget af en række enheder, som hver især kan opvarmes og aflades individuelt. Når lageret aflades, overføres varmen til husets varmesystem som for eksempel et gulvarmesystem. Næste sommer smeltes saltet så igen, og endnu engang kan varme gemmes til den efterfølgende vinter.

Saltet skal være stabilt underafkølet

Den største udfordringen har været at opnå en stabil underafkøling af salthydratet i store mængder over lange perioder. Der skal kun en lille forstyrrelse i et hjørne af lageret til at starte størkningen, som dernæst vil spredes til resten af tanken. 

demonstrationsanlæg varme salt sol

Demonstrationsanlæg med fire isolerede tanke med salt på testfaciliteterne på DTU. (Foto: Mark Dannermand)

Derfor skal lageret designes omhyggeligt. Udefrakommende påvirkninger kan nemlig nemt igangsætte størkningsprocessen. Saltet kan derfor forblive mest stabilt underafkølet i en lukket beholder.

I første omgang var beholderne til saltet lavet af stål, da det har en høj varmeledningsevne, hvilket har gjort det muligt at opvarme og afkøle lageret med en høj effekt.

I en lukket stiv konstruktion af stål opstår der dog et problem, fordi saltet udvider sig cirka 10 procent ved opvarmning og smeltning. Der opbygges dermed et overtryk i tanken, hvilket skabte deformationer, hvor dele af tanken begyndte at bule udad på grund af trykket indefra.

På samme måde, som metaldisken med revner kan starte størkningen i håndvarmeren, kan deformationer i en stålkonstruktion i kontakt med saltet også kompromittere stabiliteten af underafkølingen og dermed muligheden for langtidslagringen. I de første prototyper af lagertankene lykkedes det i første omgang ikke at opnå stabil underafkøling i længere perioder. 

Problemet med den ukontrollerede størkning i de første tanke blev løst ved at forbinde en luftlomme over saltet i tanken til en ekspansionsbeholder, der virker som en slags ballon, så saltet kan trække sig sammen og udvide sig ved størkningen og smeltningen uden at opbygge tryk i beholderen.

Hermed kan saltet forblive stabilt i underafkølet tilstand. I laboratorieforsøg forblev saltet i en lagertank i fuld skala stabilt underafkølet ved omgivelsernes temperatur i to måneder, hvorefter det blev afladt, uden at energi var gået tabt i forhold til en kort lagringsperiode.

Saltblandingen skal være tyk

Et andet centralt område har været at maksimere og stabilisere energiindholdet af saltet over gentagne opvarmninger og afkølinger.

Der opstår en slags lagdeling i saltet i en beholder, hvor koncentration af vand fra det smeltede salthydrat stiger i toppen af beholderen og falder i bunden af beholderen. Når dette sker, kan der ikke længere ske en fuld krystallisering af alt saltet i beholderen, og den fulde mængde lagrede smeltevarme frigives ikke. 

Sommer salt grafit flydende

Den flydende saltblanding fik tilføjet fortykkelsesmiddel og grafit, så saltblandingen beholder det høje energiforhold og øger saltets varmeledning. (Foto: Mark Dannermand)

Forskellige metoder til at løse dette problem har været undersøgt. Jeg har blandt andet forsøgt at fortynde blandingen med ekstra vand eller øge opløseligheden af saltet ved at tilsætte forskellige tilsætningsstoffer.

En anden forsøgt metode til at bevare et højt energiindhold har været at tilsætte et fortykkelsesmiddel til salthydratet. Fortykkelsesmidlet kan være et organisk materiale af samme type, som bruges til at give fødevarer en ønsket konsistens.

Det har vist sig, at en meget lille andel af et passende fortykkelsesmiddel kan gøre saltblandingen så tyktflydende, at lagdelingen undgås. Med en fortykket saltblanding kan det fulde potentiale for at lagre smeltevarmen opnås.

Saltblandinger med tilsætningsstoffer

Anvendelse af tilsætningsstoffer, som fortykker saltblandingen, har til gengæld en negativ effekt for overførsel af varme til og fra lageret. Varmen overføres hurtigst til saltet ved konvektion, hvor der skabes en opblanding af det flydende salt, når det nær en varm overflade bevæger sig opad i takt med, at det udvider sig og bliver lettere, når temperaturen i det stiger.

ForskerZonen

Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.

ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.

Når materialet er blevet fortykket, sker der ikke længere denne bevægelse af saltet inde i tanken, men varmen overføres udelukkende ved varmeledning, hvilket går betydeligt langsommere end ved konvektionen.

For at modvirke denne negative effekt på varmeoverførslen er det blevet forsøgt at tilsætte flager af kulstof til blandingen. Kulstoffet har en varmeledningsevne, som er mange gange højere end saltet. Få procent kulstof iblandet saltet har vist sig nemt at fordoble varmeledningen i saltet.

Samtidig har fortykkelsesmidlet i denne sammenhæng den gavnlige effekt, at det medvirker til at holde det tilsatte kulstof jævnt fordelt i blandingen.

Vi er ikke helt i mål

I løbet af mit ph.d.-projekt er det altså blevet vist, at det er muligt at opnå stabil underafkøling af forskellige saltblandinger i tankene ved brug af varme fra solen, som er opfanget med solfangere.

Dermed har vi vist, at det er muligt at gemme varme fra solrige perioder ved at opvarme og smelte saltet og lade det forblive i flydende tilstand i en lang lagringsperiode, hvorefter varmen igen frigives ved at få størkningen til at starte.

Varmen bruges så til opvarmning af boliger og brugsvand. Lageret er dog ikke helt færdigudviklet, og der mangler stadig mere arbejde, før et færdigt lager er klar til at blive installeret i huse. 

prototype smeltevarmelager

På billedet ses den første fungerende prototype af smeltevarmelageret. (Foto: Mark Dannermand)

Under forsøgene har det vist sig, at saltet skulle opvarmes til over 80 °C for at opnå stabil underafkøling. Effektiviteten af et solvarmeanlæg med saltlageret vil kunne være højere, hvis underafkølingen kunne opnås efter opvarmning af saltet til lige over smeltepunktet på 58 °C, fordi varmetabet så vil kunne reduceres.

En bedre forståelse af, hvad der kemisk sker i saltet ved smeltning, underafløling og krystallisering, kan muligvis klarlægge, om tilsætningsstoffer kan betyde, at minimumstemperaturen for at opnå stabil underafkøling kan sænkes.

Samtidig skal der fokuseres på at gøre lageret billigere. Ingen af komponenterne eller materialerne, som bruges til saltlageret, er dyre. Så muligheden for at udvikle et økonomisk attraktivt langtidsvarmelager er til stede.

I første omgang var de udviklede lagertanke bygget i stål, og de har vist, at princippet om et kompakt sæsonvarmelager fungerede i praksis i stor skala. Mulighederne for at bruge andre og billigere materialer såsom plastik bør dog også undersøges, så man muligvis kan få en simplere og lettere konstruktion.