Isı pompası ve potasyum karbonat depolaması

Evlerdeki ısı pompası sistemleri soğuk günlerde daha az verimli çalışır. Üstelik şebeke de tam bu dönemde en çok zorlanır. Bu yüzden Pennsylvania State University'den bir ekip, termokimyasal enerji depolama (TCES) yöntemini inceledi. Burada ısı, kimyasal bir tepkimeyle saklanıyor. Ayrıca ekip, ısıyı soğuk havalardan önce depolamanın ısıtma kaynaklı elektrik talebini azaltıp azaltmayacağını araştırdı.

Isı pompası ve potasyum karbonat nasıl birleşiyor?

Modelde termokimyasal malzeme olarak potasyum karbonat (K₂CO₃) kullanıldı. Sistem, ısı pompasıyla çok önceden ısıl olarak şarj edilebiliyor. Ardından ısıtma sezonunda binanın ısı ihtiyacını karşılamak için boşaltılıyor. Ayrıca en stresli dönem, 2050 projeksiyonlarına göre değerlendirildi.

Depolama, tuzun suyunu kaybetmesiyle, yani dehidrasyonla gerçekleşiyor. Isı ise tuz yeniden su aldığında, yani hidrasyon sırasında açığa çıkıyor. Şarj için yaklaşık 80 C sıcaklıkta su gerekiyor. Böylece boşaltma sırasında radyant ısıtma sistemine 35 C sıcaklıkta su verilebiliyor.

Simülasyon New York koşullarında kuruldu

Araştırmacılar simülasyon ve doğrusal optimizasyon kullandı. Modelde, potasyum karbonat tabanlı TCES ile bataryaya bağlı bir hava kaynaklı ısı pompası vardı. Ev ise New York koşullarında, 220,82 m² büyüklüğünde müstakil bir konut olarak seçildi. Ayrıca %95 karbonsuzlaşmış bir 2050 elektrik sistemi için saatlik şebeke projeksiyonları, binanın elektrik talebi sınırına dönüştürüldü.

Ekip, elektrik tüketimini en aza indiren saatlik işletmeyi de optimize etti. Ancak ısıtma talebi karşılanmalı ve elektrik sınırı aşılmamalıydı. Referans şarj/deşarj verimleri TCES için %45/%80, batarya için %95/%95 olarak alındı. Bunun yanı sıra 96 simülasyonda ısı pompası performansı, TCES'in özgül ısıtma gücü ve şarj verimi değiştirildi.

Depolamanın büyük kısmını batarya üstlendi

Referans sistemde 68 kWh ısıl depolama ve 168 kWh batarya kapasitesi gerekti. Dolayısıyla depolama görevinin çoğunu bataryalar üstlendi. Sıcak havadaki performans katsayısı (COP) yükseldiğinde, ısıl depolama öne çıktı. COP, ısı pompasının harcadığı elektriğe göre ürettiği ısıyı gösterir. TCES şarj verimi ve özgül ısıtma gücü arttığında da aynı eğilim görüldü. Soğuk havadaki COP'nin iyileşmesi ise iki depolama ihtiyacını da azalttı.

TCES için en uygun senaryoda, optimize edilen kapasite ihtiyacı 894 kWh oldu. Bu rakam, referans sistemin 68 kWh'lık ısıl ihtiyacından çok daha yüksek. Araştırmacılar iki olası yol belirtti. İlk olarak TCES şarj verimi %45'ten %65'e çıkarılabilir. İkinci olarak ısı pompasının COP değeri, soğuk iklimlerde düşse bile en az %25 artırılabilir.

Gelecekteki çalışmalar, ısıl depolamanın özgül ısıtma gücünü artırmaya odaklanabilir. Böylece TCES, şebeke stresi dönemlerinde ısıtma talebinin daha büyük bölümünü karşılayıp bataryaya bağımlılığı azaltabilir. Ancak birleşik sistemin uygulanabilirliği, bileşen performansındaki iyileşmelere ve ısıl depolamanın konut ısıtma sistemleriyle entegrasyonuna bağlı. Çalışma, Long duration energy storage through residential heat pumps with thermochemical energy storage başlığıyla Energy dergisinde yayımlandı.