Ένα σύστημα που συνδυάζει υδρογόνο, αντλία θερμότητας με CO₂ και αποθήκευση θερμότητας ανέπτυξαν σε επίπεδο προσομοίωσης Κινέζοι ερευνητές, διερευνώντας μια διαφορετική προσέγγιση για την παραγωγή θέρμανσης και ζεστού νερού.
Η ερευνητική ομάδα μελέτησε τη λειτουργία ενός συστήματος στο οποίο κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) παράγουν την ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία μιας αντλίας θερμότητας CO₂. Η θερμότητα που παράγεται στη συνέχεια αποθηκεύεται σε δεξαμενή με υλικό αλλαγής φάσης (PCM), ώστε να μπορεί να αξιοποιηθεί για την κάλυψη των αναγκών σε ζεστό νερό.
Το σύστημα περιλαμβάνει 30 συστοιχίες PEMFC, με 20 κυψέλες η καθεμία. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται τροφοδοτεί απευθείας τον συμπιεστή της αντλίας θερμότητας. Το θερμό CO₂ μεταφέρεται στη συνέχεια σε ψύκτη αερίου, όπου θερμαίνει το νερό που κυκλοφορεί στη δεξαμενή αποθήκευσης.
Στο εσωτερικό της δεξαμενής έχουν τοποθετηθεί 100 σωλήνες που περιέχουν εξαντάνιο (hexadecane), το οποίο λειτουργεί ως υλικό αλλαγής φάσης. Το υλικό απορροφά θερμότητα όταν λιώνει, σε θερμοκρασία περίπου 18 βαθμών Κελσίου, επιτρέποντας την αποθήκευση και μεταγενέστερη αξιοποίηση της θερμικής ενέργειας.
Η θερμοκρασία της καθόδου επηρεάζει την απόδοση
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις στο MATLAB, μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, καθώς και τις θερμοκρασίες εισόδου στην άνοδο και την κάθοδο των κυψελών καυσίμου. Οι θερμοκρασίες εξετάστηκαν σε εύρος από 2 έως 34 βαθμούς Κελσίου, ενώ οι υπόλοιπες παράμετροι διατηρήθηκαν σταθερές.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η θερμοκρασία εισόδου στην κάθοδο της κυψέλης καυσίμου επηρεάζει περισσότερο την απόδοση του συστήματος σε σχέση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και τη θερμοκρασία εισόδου στην άνοδο.
Όταν η θερμοκρασία της καθόδου αυξήθηκε από τους 2 στους 34 βαθμούς Κελσίου, η ποσότητα θερμικής ενέργειας που αντιστοιχεί σε κάθε κιλό υδρογόνου αυξήθηκε κατά 29,4%, από 28,458 σε 36,825 kWh/kg.
Παράλληλα, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανά κιλό υδρογόνου αυξήθηκε κατά 60,97%, από 8,825 σε 14,206 kWh/kg. Ωστόσο, ο συντελεστής απόδοσης (COP) του συνολικού συστήματος μειώθηκε κατά 19,63%, από 3,225 σε 2,592.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η δυνατότητα αξιοποίησης της θερμικής αποθήκευσης για οικιακές ανάγκες. Για ημερήσια ζήτηση 75 λίτρων ζεστού νερού και αύξηση της θερμοκρασίας κατά 40 βαθμούς Κελσίου, οι ερευνητές υπολόγισαν ότι η δεξαμενή PCM θα πρέπει να παρέχει περίπου 3,5 kWh θερμικής ενέργειας.
Με βάση την προσομοίωση, η δεξαμενή μπορεί να καλύψει τη συγκεκριμένη ζήτηση, δείχνοντας ότι ο συνδυασμός κυψελών καυσίμου υδρογόνου, αντλίας θερμότητας CO₂ και θερμικής αποθήκευσης μπορεί να αποτελέσει αντικείμενο περαιτέρω έρευνας για εφαρμογές θέρμανσης και παραγωγής ζεστού νερού.
Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι πρόκειται για μια προσέγγιση που επιτρέπει τη σύνδεση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από υδρογόνο με την παραγωγή και αποθήκευση θερμότητας, αξιοποιώντας παράλληλα την ικανότητα των υλικών αλλαγής φάσης να αποθηκεύουν θερμική ενέργεια.
Πηγή: pv-magazine
