Kunsten at lagre termisk energi: Udnyttelse af energi for en bæredygtig fremtid

I en tidsalder præget af stigende energibehov og presserende miljømæssige udfordringer har jagten på bæredygtige energiløsninger aldrig været mere afgørende. Blandt de forskellige strategier, der udforskes, fremstår termisk energilagring (TES) som en lovende teknologi med potentialet til at revolutionere, hvordan vi administrerer og udnytter energi. Denne omfattende guide dykker ned i principperne, teknologierne, anvendelserne og fordelene ved TES og tilbyder et globalt perspektiv på dens rolle i at opbygge en mere bæredygtig fremtid.

Hvad er termisk energilagring (TES)?

Termisk energilagring (TES) er en teknologi, der muliggør lagring af termisk energi (enten varme eller kulde) til senere brug. Den bygger bro mellem energiforsyning og -efterspørgsel, hvilket gør det muligt at lagre energi i perioder med lav efterspørgsel eller høj tilgængelighed (f.eks. fra solenergi om dagen) og frigive den, når efterspørgslen er høj, eller tilgængeligheden er lav. Denne tidsmæssige afkobling kan markant forbedre energieffektiviteten, reducere omkostningerne og fremme integrationen af vedvarende energikilder.

I sin kerne fungerer TES-systemer ved at overføre termisk energi til et lagringsmedie. Dette medie kan være en række forskellige materialer, herunder vand, is, sten, jord eller specialiserede faseændringsmaterialer (PCM'er). Valget af lagringsmedie afhænger af den specifikke anvendelse, temperaturområdet og lagringsvarigheden.

Typer af teknologier til termisk energilagring

TES-teknologier kan groft klassificeres baseret på lagringsmediet og den anvendte metode:

Sensibel varmelagring

Sensibel varmelagring indebærer lagring af energi ved at hæve eller sænke temperaturen på et lagringsmedie uden at ændre dets fase. Mængden af lagret energi er direkte proportional med temperaturændringen og lagringsmaterialets specifikke varmekapacitet. Almindelige materialer til sensibel varmelagring inkluderer:

• Vand: Udbredt anvendt på grund af dets høje specifikke varmekapacitet og tilgængelighed. Velegnet til både opvarmnings- og kølingsapplikationer. Eksempler inkluderer varmtvandslagring til husholdningsbrug og kølevandslagring til fjernkøling.
• Sten/Jord: Omkostningseffektivt til storskala lagring. Anvendes ofte i underjordiske termiske energilagringssystemer (UTES).
• Olier: Anvendes i højtemperaturapplikationer, såsom i anlæg til koncentreret solenergi (CSP).

Latent varmelagring

Latent varmelagring udnytter den varme, der absorberes eller frigives under en faseændring (f.eks. smeltning, frysning, kogning, kondensering) til at lagre energi. Denne metode tilbyder en højere energilagringstæthed sammenlignet med sensibel varmelagring, da en betydelig mængde energi absorberes eller frigives ved en konstant temperatur under faseovergangen. De mest almindelige materialer, der anvendes til latent varmelagring, er faseændringsmaterialer (PCM'er).

Faseændringsmaterialer (PCM'er): PCM'er er stoffer, der absorberer eller frigiver varme, når de skifter fase. Eksempler inkluderer:

• Is: Almindeligt anvendt til kølingsapplikationer, især i klimaanlæg. Islagringssystemer fryser vand i lavlastperioder og smelter det i spidsbelastningsperioder for at levere køling.
• Salthydrater: Tilbyder en række smeltetemperaturer og er velegnede til forskellige opvarmnings- og kølingsapplikationer.
• Paraffiner: Organiske PCM'er med gode termiske egenskaber og stabilitet.
• Eutektiske blandinger: Blandinger af to eller flere stoffer, der smelter eller fryser ved en konstant temperatur, hvilket giver en skræddersyet faseændringstemperatur.

Termokemisk lagring

Termokemisk lagring indebærer lagring af energi gennem reversible kemiske reaktioner. Denne metode tilbyder den højeste energilagringstæthed og potentialet for langvarig lagring med minimale energitab. Dog er termokemiske lagringsteknologier generelt mere komplekse og dyrere end sensibel og latent varmelagring.

Eksempler på termokemiske lagringsmaterialer inkluderer metalhydrider, metaloxider og kemiske salte.

Anvendelser af termisk energilagring

TES-teknologier finder anvendelse i en bred vifte af sektorer, herunder:

Bygningsopvarmning og -køling

TES-systemer kan integreres i bygningers HVAC-systemer for at forbedre energieffektiviteten og reducere spidsbelastningen. Eksempler inkluderer:

• Islagring til klimaanlæg: Frysning af vand til is i lavlasttimer (f.eks. om natten, når elpriserne er lavere) og smeltning af isen i spidsbelastningstimer (f.eks. om dagen, når kølebehovet er højt) for at levere køling. Dette reducerer belastningen på elnettet og sænker energiomkostningerne. Udbredt i kommercielle bygninger som kontorer, hospitaler og indkøbscentre globalt. Eksempel: Et stort kontorkompleks i Tokyo, Japan, bruger islagring til at reducere spidsbelastningsforbruget af elektricitet i de varme sommermåneder.
• Kølevandslagring: Lagring af kølet vand, der er produceret i lavlasttimer, til brug i spidsbelastningsperioder for køling. Dette ligner islagring, men uden faseændringen.
• Varmtvandslagring: Lagring af varmt vand produceret af solfangere eller andre varmekilder til senere brug i rumopvarmning eller brugsvandsforsyning. Almindeligt anvendt i boliger og fjernvarmesystemer. Eksempel: Solvarmesystemer med termiske lagertanke er udbredt i middelhavslande som Grækenland og Spanien, hvor solindstrålingen er høj.
• PCM-forbedrede byggematerialer: Indbygning af PCM'er i byggematerialer som vægge, tage og gulve for at forbedre den termiske inerti og reducere temperaturudsving. Dette forbedrer termisk komfort og reducerer opvarmnings- og kølebelastningen. Eksempel: PCM-forbedrede gipsplader anvendes i bygninger i Tyskland for at forbedre den termiske ydeevne og reducere energiforbruget.

Fjernvarme og -køling

TES spiller en afgørende rolle i fjernvarme- og fjernkølingssystemer (DHC), som leverer centraliseret opvarmning og køling til flere bygninger eller hele samfund. TES giver DHC-systemer mulighed for at fungere mere effektivt, integrere vedvarende energikilder og reducere spidsbelastningen. Eksempler inkluderer:

• Underjordisk termisk energilagring (UTES): Lagring af termisk energi i underjordiske grundvandsmagasiner eller geologiske formationer. UTES kan bruges til sæsonlagring af varme eller kulde, hvilket gør det muligt at indfange overskudsvarme i sommermånederne og frigive den i vintermånederne, eller omvendt. Eksempel: Drake Landing Solar Community i Okotoks, Canada, anvender borehuls termisk energilagring (BTES) til at levere helårs rumopvarmning ved hjælp af solvarmeenergi.
• Storskala vandtanke: Brug af store isolerede vandtanke til at lagre varmt eller kølet vand til fjernvarme- eller fjernkølingsnetværk. Eksempel: Mange skandinaviske lande, såsom Danmark og Sverige, bruger storskala varmtvandslagertanke i deres fjernvarmesystemer til at lagre overskudsvarme fra kraftvarmeværker (CHP) og industrielle processer.

Industriel procesopvarmning og -køling

TES kan bruges til at forbedre effektiviteten af industrielle processer, der kræver opvarmning eller køling. Eksempler inkluderer:

• Spildvarmegenvinding: Indfangning af spildvarme fra industrielle processer og lagring af den til senere brug i andre processer eller til rumopvarmning. Eksempel: Et stålværk i Sydkorea bruger et termisk lagringssystem til at indfange spildvarme fra sine ovne og bruge den til at forvarme materialer, hvilket reducerer energiforbrug og emissioner.
• Spidsbelastningsreduktion (Peak Shaving): Lagring af termisk energi i lavlasttimer og brug af den i spidsbelastningstimer for at reducere el-efterspørgsel og omkostninger. Eksempel: En fødevareforarbejdningsfabrik i Australien bruger et islagringssystem til at reducere spidsbelastningen af elektricitet til køling.

Integration af vedvarende energi

TES er afgørende for at integrere intermitterende vedvarende energikilder, såsom sol- og vindkraft, i energinettet. TES kan lagre overskudsenergi genereret i perioder med høj produktion af vedvarende energi og frigive den, når produktionen er lav, hvilket sikrer en mere pålidelig og stabil energiforsyning. Eksempler inkluderer:

• Anlæg til koncentreret solenergi (CSP): Brug af smeltet salt eller andre højtemperatur-lagringsmaterialer til at lagre termisk energi genereret af solfangere. Dette giver CSP-anlæg mulighed for at generere elektricitet, selv når solen ikke skinner. Eksempel: Noor Ouarzazate solkraftværket i Marokko bruger termisk lagring med smeltet salt til at levere elektricitet 24 timer i døgnet.
• Lagring af vindenergi: Brug af TES til at lagre overskydende elektricitet genereret af vindmøller. Denne energi kan derefter bruges til at opvarme vand eller luft, eller konverteres tilbage til elektricitet ved hjælp af en termisk motor. Eksempel: Flere forskningsprojekter undersøger brugen af TES i forbindelse med vindmøller i Tyskland og Danmark.

Fordele ved termisk energilagring

Indførelsen af TES-teknologier giver en lang række fordele, der spænder over økonomiske, miljømæssige og sociale dimensioner:

• Reduceret energiomkostninger: Ved at flytte energiforbruget fra spidsbelastnings- til lavlasttimer kan TES reducere energiomkostningerne betydeligt, især i regioner med tidsdifferentierede elpriser.
• Forbedret energieffektivitet: TES optimerer energiforbruget ved at indfange og lagre spildvarme eller overskudsenergi, hvilket minimerer energitab og maksimerer udnyttelsen af tilgængelige ressourcer.
• Forbedret netstabilitet: TES hjælper med at stabilisere elnettet ved at skabe en buffer mellem energiforsyning og -efterspørgsel, hvilket reducerer behovet for spidsbelastningskraftværker og minimerer risikoen for strømafbrydelser.
• Integration af vedvarende energi: TES letter integrationen af intermitterende vedvarende energikilder, såsom sol- og vindkraft, ved at lagre overskudsenergi og frigive den, når det er nødvendigt, hvilket sikrer en mere pålidelig og bæredygtig energiforsyning.
• Reduceret udledning af drivhusgasser: Ved at forbedre energieffektiviteten og muliggøre integrationen af vedvarende energi bidrager TES til at reducere udledningen af drivhusgasser og modvirke klimaændringer.
• Øget energisikkerhed: TES forbedrer energisikkerheden ved at reducere afhængigheden af fossile brændstoffer og diversificere energikilderne.
• Flytning af spidsbelastning: TES flytter spidsbelastningen af elektricitet, hvilket reducerer belastningen på nettet.

Udfordringer og muligheder

På trods af sine mange fordele står den udbredte anvendelse af TES-teknologier over for flere udfordringer:

• Høje startomkostninger: De indledende investeringsomkostninger for TES-systemer kan være relativt høje, hvilket kan være en barriere for nogle anvendelser.
• Pladskrav: TES-systemer, især store lagertanke eller UTES-systemer, kræver betydelig plads.
• Ydelsesforringelse: Nogle TES-materialer, såsom PCM'er, kan opleve ydelsesforringelse over tid på grund af gentagne faseændringer.
• Varmetab: Varmetab fra lagertanke og rørledninger kan reducere den samlede effektivitet af TES-systemer.

Der er dog også betydelige muligheder for yderligere udvikling og implementering af TES-teknologier:

• Teknologiske fremskridt: Løbende forsknings- og udviklingsindsatser er fokuseret på at forbedre ydeevnen, reducere omkostningerne og forlænge levetiden for TES-materialer og -systemer.
• Politisk støtte: Offentlige politikker og incitamenter, såsom skattefradrag, subsidier og reguleringer, kan spille en afgørende rolle i at fremme anvendelsen af TES-teknologier.
• Modernisering af nettet: Moderniseringen af elnettet, herunder implementeringen af intelligente elnet (smart grids) og avanceret måleinfrastruktur, kan lette integrationen af TES og andre distribuerede energiressourcer.
• Øget bevidsthed: At øge bevidstheden blandt forbrugere, virksomheder og politikere om fordelene ved TES kan drive efterspørgslen og fremskynde dets anvendelse.

Globale eksempler på implementering af termisk energilagring

TES-teknologier implementeres i forskellige lande og regioner rundt om i verden, hvilket viser deres alsidighed og tilpasningsevne.

• Danmark: Danmark er førende inden for fjernvarme med omfattende brug af storskala varmtvandslagertanke til at integrere vedvarende energikilder og forbedre systemets effektivitet. Mange byer bruger havvand til termisk lagring.
• Tyskland: Tyskland forsker aktivt i og udvikler PCM-forbedrede byggematerialer for at forbedre energieffektiviteten og reducere opvarmnings- og kølebelastningen.
• Canada: Drake Landing Solar Community i Okotoks, Canada, demonstrerer effektiviteten af borehuls termisk energilagring (BTES) til sæsonlagring af solvarmeenergi.
• Marokko: Noor Ouarzazate solkraftværket i Marokko bruger termisk lagring med smeltet salt til at levere elektricitet 24 timer i døgnet.
• Japan: Japan har i vid udstrækning indført islagring til klimaanlæg i kommercielle bygninger for at reducere spidsbelastningen af elektricitet.
• USA: Mange universiteter og hospitaler i USA bruger kølevandslagring til at reducere spidsbelastningsforbruget af elektricitet til køling.
• Australien: Nogle fødevareforarbejdningsanlæg og datacentre i Australien bruger termisk lagring til at reducere spidsbelastningen af elektricitet til køling.
• Kina: Kina implementerer aktivt UTES-systemer og PCM-forbedrede byggematerialer for at imødekomme sine voksende energibehov og forbedre luftkvaliteten.

Fremtiden for termisk energilagring

Termisk energilagring forventes at spille en stadig vigtigere rolle i det globale energilandskab. I takt med at energibehovet fortsætter med at stige, og behovet for bæredygtige energiløsninger bliver mere presserende, tilbyder TES en overbevisende vej til at forbedre energieffektiviteten, reducere omkostningerne og integrere vedvarende energikilder. Løbende forsknings- og udviklingsindsatser er fokuseret på at forbedre ydeevnen, reducere omkostningerne og udvide anvendelserne af TES-teknologier. Med fortsat innovation og politisk støtte har TES potentialet til at transformere den måde, vi administrerer og udnytter energi på, og bane vejen for en mere bæredygtig og modstandsdygtig fremtid.

Konklusion

Kunsten at lagre termisk energi ligger i dens evne til at bygge bro mellem energiforsyning og -efterspørgsel, hvilket tilbyder et kraftfuldt værktøj til at forbedre energieffektiviteten, integrere vedvarende energikilder og reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer. Fra bygningsopvarmning og -køling til fjernenergisystemer og industrielle processer transformerer TES-teknologier den måde, vi administrerer og udnytter energi på tværs af en bred vifte af sektorer. Mens vi bevæger os mod en mere bæredygtig fremtid, vil termisk energilagring uden tvivl spille en afgørende rolle i at forme et renere, mere modstandsdygtigt og mere effektivt energisystem for kommende generationer. At omfavne TES er ikke bare en mulighed; det er en nødvendighed for en bæredygtig planet.