Penggunaan sumber energi terbarukan menjanjikan banyak "manfaat yang menggiurkan": penghematan sumber daya yang signifikan, kondisi lingkungan yang lebih baik, dan bahkan perubahan sosial di beberapa wilayah di planet ini. Namun, agar keunggulan ini dapat dimanfaatkan sepenuhnya, perlu dipelajari cara menyimpan energi yang terkumpul namun tidak terpakai secara efisien. Saat ini, penyimpanan bawah tanah adalah metode yang sangat umum. Dengan bantuan mereka, misalnya, dimungkinkan untuk menggunakan kelebihan energi matahari yang dikumpulkan di musim panas selama bulan-bulan musim dingin. Ilmuwan dari Universitas Halle-Wittenberg. Martin Luther (Jerman) memutuskan untuk menguji apakah penggunaan lilin parafin dalam pembangunan fasilitas penyimpanan energi panas bawah tanah dapat membuatnya lebih andal, tahan lama, dan efisien. Eksperimen apa yang dilakukan untuk menguji ide ini, apa yang mereka tunjukkan,dan apakah lilin sebaik yang dipikirkan para ilmuwan? Kami belajar tentang ini dari laporan para peneliti. Pergilah.
Dasar penelitian
Jelas, tidak di semua wilayah di planet kita yang indah, sumber energi terbarukan yang sama akan menghasilkan keluaran yang sama sepanjang tahun. Energi matahari adalah contoh utama dari ini.
Ada beberapa metode untuk menyimpan kelebihan akumulasi energi (dalam hal ini, dalam bentuk panas): laten, kimiawi, mekanis, dll.
Sementara akumulator panas laten menggunakan efek transisi fase (misalnya air / es), akumulator termokimia didasarkan pada reaksi endo- dan eksotermik reversibel seperti hidrasi garam. Metode khusus ini cukup efektif, tetapi jarang digunakan karena mahalnya biaya material awal.
Teknologi umum lainnya adalah penyimpanan energi panas dalam kolam buatan di atas tanah berukuran besar. Sebagai pembawa panas dalam struktur seperti itu, air atau kerikil berisi air dengan volume beberapa ribu meter kubik digunakan.
Ada banyak metode penyimpanan, semuanya berfungsi pada satu tingkat atau lainnya, tetapi ada juga masalah, beberapa di antaranya umum terjadi pada semua metode. Masalah yang paling jelas adalah kehilangan panas.
Untuk menghindari kebocoran, kolam tempat pembawa panas berada (air, misalnya) harus ditutup rapat dan memiliki konduktivitas termal yang rendah. Solusi untuk masalah ini saat ini adalah cangkang plastik tipis. Namun bahan yang digunakan untuk cangkang ini tidak ideal, oleh karena itu masih ada kebocoran. Alasan untuk hal ini mungkin karena kualitas yang buruk atau kerapuhan bahan isolasi, yang menyebabkan kontak antara pendingin dan lingkungan, yang menyebabkan penurunan efisiensi seluruh sistem.
Mengingat masalah yang dijelaskan di atas, para ilmuwan memutuskan untuk menguji kemungkinan penggunaan lilin sebagai bahan isolasi untuk mencegah kebocoran termal di fasilitas penyimpanan.
Lilin parafin merupakan campuran molekul hidrokarbon dengan jumlah atom karbon berbeda. Panjang rantai-C berkisar dari 20 hingga 60 untuk lilin parafin lunak dan keras, dan nilai ini mengontrol titik leleh dan titik pemadatan material. Misalnya, pada suhu pemadatan 42˚C dan titik leleh 40C, molekul memiliki panjang rantai sekitar 21 atom karbon. Popularitas parafin di area penyimpanan juga dijelaskan oleh indikator yang cukup baik untuk panas jenis fusi (dari 150 kJ / kg hingga 220 kJ / kg) dan konduktivitas termal yang agak rendah (dari 0,15 W / m K hingga 0,30 W / m K, yang urutan besarnya lebih rendah dibandingkan dengan kerikil jenuh air - sekitar 2,4 W / mK). Selain itu, parafin merupakan bahan hidrofobik dan tidak beracun.
Mengekspresikan teori-teori yang indah adalah satu hal, memiliki bukti faktual tentang keandalannya adalah hal lain. Untuk melakukan ini, para ilmuwan melakukan serangkaian percobaan di mana berbagai kombinasi kondisi diterapkan (kondisi suhu, ketebalan membran parafin yang diuji, dll.).
Mempersiapkan percobaan
Pada tahap pertama studi, para ilmuwan mengukur kehilangan energi saat menggunakan parafin di dalam dua bagian lapisan penyegelan struktur PTES (untuk penyimpanan energi panas pit).
Gambar # 1: Diagram pengaturan eksperimental (tampilan atas) untuk menguji kinerja termal, menunjukkan lokasi sensor suhu dan bahan yang digunakan (film PVC - polivinil klorida; PS - pelat kaca polistiren).
Gambar # 2: foto pengaturan eksperimental dengan film PVC hitam (a) dan (bd) PS sebagai lapisan penutup. Legenda: 1 - materi sekitar; 2 - lapisan isolasi parafin; 3 - film PVC; 4 - air; 5 - menyegel pelat PS; 6, 7 - sensor suhu dalam parafin / air; 8 - perangkat pemanas; 9 - kamera.
Wadah kaca akrilik dengan dimensi 1000 x 300 x 600 mm (panjang, lebar, tinggi) digunakan sebagai pagar luar. Di dalamnya ada perangkat penyimpanan panas kecil dengan air deionisasi sebagai bahan pembawa. Akumulator itu sendiri (600 x 200 x 400 mm) juga ditutup dalam selubung penyegel bagian dalam.
Pada percobaan seri pertama, penyegelan dilakukan dengan menggunakan pelat rigid polystyrene glass (PS) setebal 5 mm. Pada percobaan seri kedua, pelat PS diganti dengan film polivinil klorida (PVC atau PVC) dengan ketebalan 0,5 mm, yang biasanya digunakan untuk menutup tangki yang ada.
Para ilmuwan mencatat bahwa perbandingan antara lembaran PS dan PVC memungkinkan mereka untuk fokus pada potensi deformasi mekanis ketika lilin dimasukkan dalam sistem isolasi, yang telah tertanam di antara lapisan membran penyegel di salah satu sisi pendek wadah ( 2a dan 2b ).
Lilin parafin murni digunakan dalam percobaan. Di dalam membran penyegel, itu didistribusikan ke seluruh permukaan tanpa lubang (pori-pori), yang tidak akan terjadi pada komposit parafin.
Dalam serangkaian percobaan dengan pelat PS, ketebalan lapisan parafin adalah 20 mm ( 2b ), dan volumenya 1.600 ml. Dalam serangkaian percobaan dengan PVC, parameternya sama ( 2a). Lilin yang digunakan memiliki titik pemadatan yang relatif rendah pada 42 C dan titik leleh pada sekitar 40 C.
Tutup atas wadah terbuat dari film plastik bening untuk meminimalkan efek penguapan. Butiran kaca berbusa digunakan untuk lebih melindungi percobaan dari pengaruh lingkungan dan untuk mensimulasikan sifat butiran tanah di sekitar tangki dalam kondisi nyata. Mengingat bahan ini dapat didaur ulang dan memiliki ukuran butiran tidak lebih dari 5–8 mm, bahan ini juga berfungsi sebagai penyekat panas eksternal (konduktivitas termal λ = 0,084 W / mK).
Termostat laboratorium dengan daya listrik 2 kW ( 2c dan 2d), sedangkan elemen pemanas dengan pompa sirkulasi dipasang di tengah kolom air. Dengan demikian, tiruan dari prosedur pemuatan langsung dibuat tanpa stratifikasi termal di cekungan dan distribusi suhu yang seragam dicapai di semua area lingkungan. Dua Keysight 34901A 20-channel multiplexer dan satu Keysight 34972A digunakan untuk pengukuran suhu dan pencatatan data. Sebanyak 15 sensor suhu ( 2d ) Pt100 dihubungkan (karakteristik: baja tahan karat, tahan air, 4 kabel, panjang 500 mm, ujung ukur 20 mm, akurasi 1/10 DIN).
Keakuratan sensor secara langsung bergantung pada suhu. Dalam kisaran suhu untuk semua percobaan, berkisar antara ± 0,04 ˚C (pada 20˚C) hingga ± 0,06 ˚C (pada 60˚C). Tiga sensor langsung tertanam di lilin itu sendiri pada ketinggian yang berbeda.
Eksperimen dipantau secara visual menggunakan kamera HD yang terpasang.
Gambar No. 3: a - diagram proses eksperimen untuk menentukan karakteristik termal; b - fase percobaan (merah muda - penundaan pemanasan / pendinginan karena efek keacakan fase; garis: biru - air, hijau - parafin, kuning - bahan di sekitarnya).
Tahap kedua dari studi ini terdiri dari memeriksa kehilangan panas dalam kasus penggunaan parafin.
Uji kebocoran telah memastikan mekanisme penyembuhan diri yang diinginkan saat menggunakan lilin parafin dalam membran penyimpanan kedap air. Karena parafin digunakan dalam bentuknya yang murni, ia memiliki transisi termal langsung dengan antarmuka lapisan dalam dan luar dan oleh karena itu harus terlebih dahulu meleleh pada fase pemanasan. Selanjutnya, harus dalam bentuk cairan bergerak hidrofobik untuk menutup jalur ke material sekitarnya yang lebih dingin jika terjadi kebocoran.
Gambar # 4: Diagram pengaturan eksperimental untuk memeriksa kebocoran (hijau - parafin, biru - air, merah - lapisan PVC, kuning - bahan sekitarnya. Titik-titik menunjukkan posisi sensor.
Gambar No. 5: a - foto pengaturan eksperimental; b - retak dalam film PVC dengan melarikan diri parafin; c - pasir dengan parafin; d - koneksi kedap bahan di sekitarnya dengan ruang pori yang diisi dengan parafin.
Peralatan operasi dan pengukuran (sensor, pemanas, dll.) Sama dengan konfigurasi eksperimental sebelumnya. Perbedaan hanya pada beberapa dimensi: casing luar polistiren lebih kecil (400 x 200 x 200 mm), dan material di sekitarnya hanya dipasang pada satu sisi wadah ( 5a ). Tebal lapisan parafin 20 mm (800 cm 3) diterapkan dalam kontak langsung dengan isi air deionisasi internal (280 mm x 200 mm x 200 mm). Pada pelat PS bagian luar, jendela berukuran 50 x 50 mm ditutup dengan foil PVC untuk mensimulasikan berbagai jenis kebocoran sealant seperti retakan, lubang besar dan area berlubang ( 5b ).
Area material di sekitar wadah pada akhirnya 100 x 200 x 200 mm, yang memungkinkan untuk mengamati dengan jelas dan mengukur hasil lilin parafin dan dispersinya secara akurat ( 5c dan 5b ).
Bahan di sekitarnya adalah dua zat, yang masing-masing digunakan dalam rangkaian percobaan terpisah: pasir halus (ukuran butir: 0,063 hingga 2 mm) digunakan untuk mensimulasikan kondisi nyata; bola kaca dengan diameter 3 mm untuk mensimulasikan struktur butir yang ideal dan untuk menguji perilaku lilin cair di lingkungan dengan ruang yang sangat berpori ( 5a ).
Gambar No. 6: a - diagram proses percobaan kebocoran; b adalah tampilan atas dari daerah lilin yang terbentuk setelah kebocoran.
Hasil percobaan
Grafik di bawah ini (# 7 dan # 8) menunjukkan hasil uji kinerja termal dalam fase pemanasan dan pendinginan untuk enam pengaturan eksperimental yang dipilih.
Gambar No. 7: a - pemanasan tertunda dari penyimpanan panas laboratorium karena mencairnya lilin parafin; b - panas tambahan yang terakumulasi dalam lilin parafin selama fase pemanasan.
Gambar No. 8: a - pendinginan tertunda dari penyimpanan panas laboratorium karena pengerasan parafin; b - panas tambahan yang dilepaskan oleh parafin, diukur dalam fase pendinginan.
Para ilmuwan mencatat bahwa hasil positif pertama dari eksperimen dapat dilihat saat mengevaluasi fotografi selang waktu, karena komponen cairan dapat diamati bahkan pada suhu rendah. Oleh karena itu, bahkan eksperimen di mana suhu target berada di bawah titik leleh lilin parafin bekas menunjukkan efek retardasi dan penyimpanan panas / penggunaan kembali yang signifikan.
Hal ini mungkin disebabkan oleh komposisi lilin parafin, karena parafin yang digunakan dalam percobaan bukanlah bahan yang sangat dimurnikan. Karena mengandung molekul hidrokarbon dengan panjang yang berbeda, fraksinasi terjadi ketika dipanaskan atau didinginkan, dan daerah parsial yang berbeda meleleh dan mengeras pada kisaran suhu yang berbeda.
Perlu dicatat bahwa ini berlaku untuk semua perubahan fase yang diinduksi, tidak mengarah ke jelas dan tajam, tetapi untuk transisi yang lembut dan lambat.
Selanjutnya, deformasi lapisan parafin selama peleburan saat menggunakan film PVC dianalisis. Perpindahan lilin parafin akibat tekanan filler terhadap material di sekitarnya mengakibatkan tonjolan berbentuk baji. Akibatnya, ketebalan lapisan parafin isolasi menjadi tidak seragam secara vertikal (lebih tebal di bagian atas, lebih rendah sudah karena perpindahan). Namun, efek samping tersebut dapat dikurangi dengan menggunakan film insulasi polistiren tambahan.
Setelah menganalisis data visual (rekaman kamera), para ilmuwan melanjutkan untuk menganalisis data suhu, dimulai dengan fase pemanasan (gambar # 7). Analisis menunjukkan penundaan yang signifikan karena pelelehan lilin di keenam opsi pengujian. Ini luar biasa karena fase ini relatif singkat dengan peningkatan suhu linier dari 0,49 menjadi 0,71 K / menit.
Rentang nilai periode tunda ( 7a) dari berbagai pengaturan eksperimental besar, dari 360 detik hingga 1600 detik (penundaan leleh rata-rata sekitar 1000 detik). Angka ini 80% lebih tinggi daripada kasus penggunaan film PVC konvensional. Akibatnya, hasil dari semua pengujian memastikan bahwa efek yang diinginkan dari penggunaan parafin telah tercapai: pengisian cepat penyimpanan dapat secara efektif ditunda oleh proses peleburan lilin. Selain itu, pengujian ini selanjutnya menunjukkan penurunan kehilangan panas lateral.
Gambar 3b menunjukkan bahwa ada korelasi erat antara waktu tunda dan energi panas yang terakumulasi dalam fase pemanasan ( 7b). Oleh karena itu, nilai energi juga menunjukkan fluktuasi yang besar, berkisar antara 4,21 hingga 12,44 kJ / kg dengan nilai rata-rata 6,55 kJ / kg. Nilai-nilai ini cukup kecil, namun deteksi proses peleburan yang lebih lambat dapat diperburuk oleh pemanasan yang cepat.
Sedangkan untuk bahan penyegel, pengaruhnya cukup tidak signifikan. Perbedaan antara PVC dan PS pada temperatur yang sama kecil, dan nilai PS sebesar 5,78 kJ / kg, tidak jauh lebih tinggi dari nilai rata-rata 6,71 kJ / kg untuk semua percobaan dengan PVC.
Berdasarkan sistem penyimpanan energi termal (PTES) yang paling umum, dengan volume penyimpanan 50.000 m 3, ketebalan lapisan parafin harus sekitar 0,1 m dengan volume 1000 m 3 .
Hasil akhirnya menunjukkan peningkatan kapasitas penyimpanan dari sekitar 3,16 · 106 MJ (0,88 MWh) menjadi 9,33 · 106 MJ (2,59 MWh). Dengan kata lain, menggunakan parafin akan sedikit meningkatkan jumlah energi yang disimpan. Meskipun perbedaannya tidak terlalu besar, namun dapat dikatakan sebagai bonus yang menyenangkan, mengingat esensi parafin bukanlah untuk meningkatkan volume, tetapi untuk mengawetkannya (dalam memerangi kebocoran).
Selanjutnya, perhitungan dan penilaian dinamika dan pengaruh lilin parafin pada sistem selama fase pendinginan dilakukan (gambar No. 8).
Seperti yang Anda duga, fase pendinginan tidak dipantulkan oleh suhu linier dan gradien energi, tetapi oleh penurunan eksponensial, yang menyatu dengan suhu lingkungan. Akibatnya, tahap ini mencakup periode waktu yang lebih lama sampai suhu sistem sama dengan suhu lingkungan ( 8a ; rata-rata 95 jam, maksimum 144 jam).
Hasil pertama dari analisis fase pendinginan sudah menunjukkan perbedaan yang signifikan, karena periode perlambatan yang disebabkan oleh pengerasan lilin parafin beberapa kali lipat lebih tinggi ( 8a). Mereka bervariasi dari 8500 s (~ 2.5 jam) sampai sekitar 17000 s (~ 4.7 jam), dengan nilai rata-rata 14000 s (~ 3.9 jam). Selain itu, perbedaan mencolok antara nilai PS dan PVC pada suhu yang sama (34 ˚C) menunjukkan efek yang signifikan dari bahan penyegel, karena lebih banyak lilin parafin dapat digunakan untuk mencegah proses deformasi. Namun, pada suhu operasi yang lebih tinggi, tidak ada kecenderungan yang jelas untuk meningkatkan waktu tunda.
Secara umum, hasil penundaan fase pendinginan menunjukkan penerapan lilin yang lebih efisien dalam konteks penyimpanan energi. Hasilnya, kecuraman gradien termal terhadap lingkungan dapat dikurangi dan kehilangan energi dapat diminimalkan.
Meskipun kurva pendinginan alami yang digunakan dalam eksperimen tidak secara memadai mencerminkan penyimpanan energi dan kondisi pelepasan yang terputus-putus dalam aplikasi parafin tertentu, hasilnya membuktikan bahwa pendinginan tertunda oleh energi yang diperoleh kembali ketika lilin parafin membeku. Dengan demikian, proses pelepasan jangka pendek dapat disangga dan dikompensasikan untuk periode yang lebih lama, yang mengarah pada penurunan suhu yang lebih lambat di dalam wadah penyimpanan dan, oleh karena itu, ke efek yang lebih kecil pada struktur bahan penyegel (dan, sebagai konsekuensinya, pada daya tahannya).
Hasil laboratorium yang diterjemahkan ke dalam kondisi nyata menunjukkan bahwa volume lilin 1000 m3 akan memberikan tambahan kapasitas penyimpanan dari 12,01 MWh menjadi 40,70 MWh (rata-rata 28,77 MWh).
Gambar No. 9: pengukuran formasi parafin dan material sekitarnya dengan varian deformasi kontainer yang berbeda.
Seperti yang telah kita ketahui, dalam konsep yang sedang kita pertimbangkan saat ini, parafin dapat berfungsi sebagai "penyumbat" deformasi yang terbentuk pada dinding luar wadah penyimpanan.
Karena bentuk berbagai jenis kebocoran (retakan, lubang bundar, dll.) Sangat bervariasi, tidak tepat untuk memperhitungkan panjang atau diameternya. Oleh karena itu, diputuskan untuk menggunakan luas deformasi total sebagai parameter tambahan untuk perbandingan ukuran ("A" pada gambar # 9).
Terlepas dari dinamika deformasi yang berbeda karena fitur keseluruhan dan geometrisnya, teknik penyembuhan diri dinding karena parafin menunjukkan hasil yang sangat baik. Prinsipnya sangat sederhana: jika terjadi retakan (atau deformasi lainnya), parafin bersentuhan dengan bahan di sekitarnya, yang suhunya cukup rendah untuk membuatnya mengeras, yang menyebabkan penyumbatan lubang.
Untuk memahami berapa banyak parafin yang akan hilang dari total volume dalam kasus "perbaikan" deformasi, analisis komparatif dari massa dan volume benda yang terbentuk dalam proses ini dilakukan.
Gambar No. 10: massa (a) dan volume (b) benda yang terbentuk setelah kebocoran yang disebabkan, terdiri dari lilin parafin dan bahan sekitarnya.
Hasil analisis menunjukkan bahwa proporsi parafin dalam tubuh yang terbentuk adalah dari 36% menjadi 67%. Oleh karena itu, dinding parafin kehilangan volumenya dari 5 cm3 menjadi 80 cm3. Dengan mempertimbangkan total volume 800 m3, kehilangan lilin parafin kecil dan berkisar dari 1,5% hingga 17%.
Hasil ini membuktikan bahwa sifat penyembuhan diri parafin dapat diterapkan tanpa konsumsi bahan yang signifikan dan bahwa pendekatan yang diusulkan bekerja cukup efektif.
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya sarankan agar Anda melihat laporan ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Banyak hal yang telah digunakan orang selama berabad-abad memiliki khasiat dan potensi kegunaan yang tidak terpikirkan sebelumnya. Parafin adalah contoh utama dari ini.
Sumber daya planet kita tidak terbatas, dan kita mengkonsumsinya terlalu banyak. Oleh karena itu, pengembangan teknologi energi terbarukan harus mendapat perhatian yang maksimal. Sementara beberapa ilmuwan peduli dengan pengumpulan energi hijau, yang lain mencoba menciptakan metode yang sempurna untuk menyimpannya.
Studi ini menggambarkan bukan banyak metode baru sebagai modifikasi dari yang sudah ada. Dalam penyimpanan energi bawah tanah yang berlaku saat ini, masalah utamanya adalah kebocorannya. Penulis karya ini menyarankan agar parafin bisa menjadi cara yang murah dan efektif untuk mengatasi masalah ini. Dan ini tidak mengherankan, karena parafin memiliki sejumlah sifat yang berguna: dari hidrofobisitas hingga titik leleh rendah.
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa penggunaan parafin dalam jumlah kecil sebagai cangkang tambahan untuk penyimpanan energi secara signifikan mengurangi kebocoran dan meningkatkan kemampuan sistem untuk menyimpan panas.
Di masa depan, para ilmuwan bermaksud untuk mencari cara bagaimana menerjemahkan hasil laboratorium yang menginspirasi tersebut ke dalam skala industri, karena dengan peningkatan ukuran sistem yang dangkal, dinamikanya berubah.
Namun, tidak peduli kesulitan apa yang menghalangi penelitian ini, para ilmuwan tidak meragukan pentingnya penelitian ini, karena setiap data baru, teknologi baru dan perkembangan sangat penting untuk seluruh industri energi terbarukan, yang sangat dibutuhkan umat manusia.
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga akhir pekan Anda menyenangkan, guys!
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan memesan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. sekelas dengan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9000 untuk satu sen?