Termokimyasal depolama ısı pompasıyla denendi

Pennsylvania State University'den bir araştırma ekibi, konutlardaki ısı pompalarını termokimyasal depolama ile eşleştirdi. Ekip, bu ikilinin uzun süreli enerji depolamada işe yarayıp yaramayacağını ölçmek istedi. Özellikle soğuk havalar gelmeden ısıyı depolamak hedefleniyor. Böylece ısı pompalarının verimi düştüğünde ve şebeke zorlandığında elektrik talebi azalabilir.

Isı pompası ile termokimyasal depolama nasıl çalışıyor?

Termokimyasal enerji depolama (TCES), ısıyı kimyasal bir tepkime içinde saklayan bir yöntem. Modelde malzeme olarak potasyum karbonat (K₂CO₃) seçildi. Ayrıca sistem, tuzun suyunu kaybetmesiyle, yani dehidrasyonla ısı depoluyor. Isıyı geri verirken tuz yeniden su alıyor ve bu sürece hidrasyon deniyor.

Öte yandan şarj için yaklaşık 80 C sıcaklıkta su gerekiyor. Buna karşın boşaltma sırasında radyant ısıtma sistemine 35 C'de su veriliyor. Elektrikli ısı pompası depoyu kış gelmeden çok önce doldurabiliyor. Depo daha sonra ısıtma sezonunda binanın ihtiyacını karşılıyor.

Simülasyonda hangi koşullar kullanıldı?

Araştırmacılar simülasyon ve doğrusal optimizasyon yöntemlerini kullandı. Modelde New York koşullarındaki 220,82 m²'lik müstakil bir ev yer aldı. Evde hava kaynaklı ısı pompası, potasyum karbonatlı TCES ve bir batarya birlikte çalıştı.

Ayrıca 2050'de elektrik sisteminin yüzde 95 oranında karbonsuzlaştığı senaryonun saatlik şebeke projeksiyonları kullanıldı. Bu veriler, binanın değişken elektrik talep sınırına dönüştürüldü. Ekip, ısıtma talebini karşılarken elektrik tüketimini en aza indiren saatlik işletmeyi de optimize etti. Çünkü analiz, ısıtma sezonunun en zorlu dönemine odaklandı.

Referans şarj ve deşarj verimleri TCES için yüzde 45 ve yüzde 80 oldu. Batarya için ise her iki değer yüzde 95 alındı. Ekip, 96 simülasyonda ısı pompası performansını, TCES'in özgül ısıtma gücünü ve şarj verimini değiştirdi. Böylece bu etkenlerin gereken depolama kapasitesine etkisi görüldü.

Sonuçlar ne gösterdi?

Referans sistem 68 kWh ısıl depolama ve 168 kWh batarya kapasitesi gerektirdi. Depolama görevinin büyük bölümünü bataryalar üstlendi. Ancak parametreler değişince tablo da farklılaştı. Isı pompasının COP değeri, yani harcadığı elektriğe karşı ürettiği ısıyı gösteren katsayı, bu farkta belirleyici oldu.

• Sıcak havada daha yüksek COP, daha iyi TCES şarj verimi ve daha yüksek özgül ısıtma gücü, ısıl depolamayı öne çıkardı.
• Soğuk havada daha iyi COP ise hem ısıl hem batarya depolama ihtiyacını azalttı.
• Termokimyasal depolamaya en uygun senaryoda, optimize edilen TCES kapasitesi 894 kWh oldu.

Araştırmacılar, uzun süreli depolama için iki olası yol görüyor. İlk olarak TCES şarj verimi yüzde 45'ten yüzde 65'e çıkarılabilir. İkinci yol ise ısı pompasının COP değerini en az yüzde 25 artırmak. Bu seçenek, soğuk iklimlerde performans düşse bile geçerli.

Ekip ayrıca sistemin özgül ısıtma gücünün geliştirilebileceğini belirtti. Bu sayede TCES, şebekenin zorlandığı dönemlerde ısıtma talebinin daha büyük bölümünü karşılayıp bataryaya bağımlılığı azaltabilir. Yine de birleşik sistemin uygulanabilirliği, bileşen performansındaki iyileşmelere ve ısıl depolamanın konut ısıtma sistemlerine entegrasyonuna bağlı.

Çalışma, "Long duration energy storage through residential heat pumps with thermochemical energy storage" başlığıyla Energy dergisinde yayımlandı.