キャンドルからグリーンエネルギーへ：地下の再生可能エネルギー貯蔵におけるパラフィンの使用

再生可能エネルギー源の使用は、多くの「食欲をそそる特典」を約束します。大幅な資源の節約、環境条件の改善、さらには地球の一部の地域における社会の変化です。ただし、これらの利点を十分に活用するためには、収集した未使用のエネルギーを効率的に貯蔵する方法を学ぶ必要があります。現時点では、地下保管は非常に一般的な方法です。たとえば、彼らの助けを借りて、冬の間の夏に集められた余剰の太陽エネルギーを使用することが可能です。ハレヴィッテンベルク大学の科学者。 Martin Luther（ドイツ）は、地下の熱エネルギー貯蔵施設の建設にパラフィンワックスを使用することで、それらをより信頼性が高く、耐久性があり、効率的にできるかどうかをテストすることを決定しました。このアイデアをテストするためにどのような実験が行われ、何が示されましたか、ワックスは科学者が考えたほど良いですか？これについては、研究者の報告から学びます。行く。

研究基盤

明らかに、私たちの美しい惑星のすべての地域で、同じ再生可能エネルギー源が一年中同じ出力を生み出すわけではありません。太陽エネルギーはこの典型的な例です。



過剰な蓄積エネルギー（この場合は熱の形で）を保存する方法はいくつかあります：潜在的、化学的、機械的など。



潜在熱アキュムレータは相転移効果（水/氷など）を使用しますが、熱化学アキュムレータは、塩の水和などの可逆的な吸熱および発熱反応に基づいています。これらの特定の方法は非常に効果的ですが、初期材料費が高いため、ほとんど適用されません。



もう1つの一般的な技術は、地上の大きな人工プールに熱エネルギーを貯蔵することです。このような構造物の熱媒体として、数千立方メートルの水または水で満たされた砂利が使用されます。



多くの保管方法があり、それらはすべてある程度機能しますが、問題もあり、そのいくつかはすべての方法に共通しています。最も明白な問題は熱損失です。



漏れを防ぐために、熱媒体が配置されているプール（水など）は密閉され、熱伝導率が低い必要があります。現時点でのこの問題の解決策は、薄いプラスチックシェルです。ただし、このシェルに使用されている材料は理想的ではないため、まだ漏れがあります。この理由は、絶縁材料の品質または脆弱性が低く、冷却剤と環境が接触し、システム全体の効率が低下するためである可能性があります。



上記の問題を考慮して、科学者たちは、保管中の熱漏れを防ぐために、絶縁材料としてワックスを使用する可能性をテストすることを決定しました。



パラフィンワックスは、炭素原子の数が異なる炭化水素分子の混合物です。 Cチェーンの長さはソフトおよびハードパラフィンワックスの場合20〜60の範囲であり、この値は材料の融点と凝固点の両方を制御します。たとえば、42℃の固化温度と40℃の融点では、分子の鎖長は約21炭素原子です。保管場所でのパラフィンの人気は、比融着熱（150 kJ / kgから220kJ / kg）とかなり低い熱伝導率（0.15 W / mKから0.30W / m K、これは1桁低い）のかなり良い指標によっても説明されます。水で飽和した砂利よりも-約2.4W / mK）。さらに、パラフィンは疎水性で毒性のない材料です。



美しい理論を表現することと、その信頼性の事実を証明することはまったく別のことです。これを行うために、科学者は、条件のさまざまな組み合わせ（温度条件、テストされたパラフィン膜の厚さなど）を実装する一連の実験を実施しました。

実験の準備

研究の最初のフェーズでは、科学者は、PTES（ピット熱エネルギー貯蔵用）構造のシーリング層の2つのセクション内でパラフィンを使用した場合のエネルギー損失を測定しました。





画像＃1：熱特性をテストするための実験装置の図（上面図）。温度センサーと使用されている材料（PVC-塩化ポリビニルフィルム、PS-ポリスチレンガラスプレート）の位置を示しています。





画像＃2：シーリング層として黒色のPVCフィルム（a）および（bd）PSを使用した実験装置の写真。凡例：1-周囲の素材。 2-パラフィンの絶縁層; 3-PVCフィルム; 4-水; 5-PSシーリングプレート; 6、7-パラフィン/水中の温度センサー。 8-加熱装置; 9-カメラ。



外部フェンスには、1000 x 300 x 600 mm（長さ、幅、高さ）の寸法のアクリルガラス容器を使用しました。内部には、担体材料として脱イオン水を使用した小さな蓄熱装置がありました。アキュムレータ自体（600 x 200 x 400 mm）は、さらに内側のシーリングシェルで囲まれていました。



最初の一連の実験では、厚さ5 mmの硬質ポリスチレンガラス（PS）プレートを使用してシーリングを行いました。 2番目の一連の実験では、PSプレートを厚さ0.5 mmの塩化ポリビニル（PVCまたはPVC）フィルムに交換しました。これは通常、既存のタンクを密閉するために使用されます。



科学者たちは、PSシートとPVCシートを比較することで、コンテナの短辺の1つ（2aと2b）のシーリングメンブレンの層間に埋め込まれた断熱システムにパラフィンが含まれている場合の潜在的な機械的変形に焦点を当てることができると述べています。



実験には純粋なパラフィンワックスを使用しました。シーリングメンブレンの内部では、パラフィン系複合材料の場合とは異なり、ボイド（細孔）なしで表面全体に分布していました。



PSプレートを使用した一連の実験では、パラフィン層の厚さは20 mm（2b）で、体積は1600mlでした。 PVCを使用した一連の実験では、パラメーターは同じでした（2a）。使用したワックスの凝固点は42℃と比較的低く、融点は約40℃です。



容器の上蓋は、蒸発の影響を最小限に抑えるために透明なプラスチックフィルムで作られています。発泡ガラス顆粒を使用して、実験を環境の影響からさらに保護し、実際の条件下でタンクを取り巻く土壌の粒状特性をシミュレートしました。この材料はリサイクル可能で、顆粒サイズが5〜8 mm以下であることを考慮すると、外部断熱材としても機能します（熱伝導率λ= 0.084 W / mK）。



電力が2kW（2cおよび2d）の実験用サーモスタット）、循環ポンプ付きの加熱要素が水柱の中央に設置されている間。したがって、直接荷重手順の模倣は、盆地の熱成層なしで作成され、環境のすべての領域で均一な温度分布が達成されました。 2つのKeysight34901A20チャネルマルチプレクサと1つのKeysight34972Aが、温度測定とデータロギングに使用されました。合計15個の温度センサー（2d）Pt100が接続されました（特性：ステンレス鋼、防水、4ワイヤー、長さ500 mm、測定チップ20 mm、精度1/10 DIN）。



センサーの精度は温度に直接依存します。すべての実験の温度範囲で、±0.04°C（20°C）から±0.06°C（60°C）の範囲でした。 3つのセンサーがワックス自体に異なる高さで直接埋め込まれました。



実験は、設置されたHDカメラを使用して視覚的に監視されました。





画像3：a-熱特性を決定するための実験プロセスの図。 b-実験のフェーズ（ピンク-フェーズのランダム性の影響による加熱/冷却の遅延;線：青-水、緑-パラフィン、黄色-周囲の材料）。



研究の第2段階は、パラフィンを使用した場合の熱損失をチェックすることでした。



リークテストにより、防水ストレージメンブレンにパラフィンワックスを使用した場合の望ましい自己修復メカニズムが確認されました。パラフィンは純粋な形で使用されるため、内層と外層の界面と直接熱転移し、加熱段階で最初に溶融する必要があります。続いて、漏れが発生した場合に周囲のより冷たい材料への経路を閉じるために、疎水性の可動液体の形にする必要があります。





画像＃4：リークをチェックするための実験セットアップの図（緑-パラフィン、青-水、赤-PVC層、黄色-周囲の材料。ドットはセンサーの位置を示します。





画像No.5：a-実験装置の写真。 b-逃げるパラフィンを含むPVCフィルムの亀裂。 c-パラフィン入りの砂; d-パラフィンで満たされた細孔空間と周囲の材料の不浸透性の接続。



操作および測定装置（センサー、加熱など）は、以前の実験セットアップと同じでした。違いは一部の寸法のみでした。外側のポリスチレンケーシングは小さく（400 x 200 x 200 mm）、周囲の材料はコンテナの片側にのみ取り付けられていました（5a）。厚さ20mmのパラフィン層（800cm ³）は、内部の脱イオン水充填物（280 mm x 200 mm x 200 mm）と直接接触して適用されました。外側のPSプレートでは、50 x 50 mmのウィンドウをPVCフィルムで覆い、亀裂、大きな穴、穴あき領域などのさまざまなタイプのシーラントリークをシミュレートしました（5b）。



コンテナを囲む材料の面積は最終的に100x 200 x 200 mmであり、パラフィンワックスの収量と分散を明確に観察し、合理的に正確に測定することができました（5cおよび5b）。



周囲の材料は2つの物質であり、それぞれが別々の一連の実験で使用されました。細かい砂（粒子サイズ：0.063〜2 mm）を使用して実際の状態をシミュレートしました。理想的な粒状構造をシミュレートし、非常に多孔性の空間がある環境での溶融ワックスの挙動をテストするための直径3 mmのガラス球（5a）。





画像No.6：a-漏れに関する実験プロセスの図。ｂは、漏れ後に形成されたワックス領域の上面図である。

実験結果

以下のグラフ（＃7および＃8）は、選択した6つの実験設定の加熱段階と冷却段階での熱性能テストの結果を示しています。





画像No.7：a-パラフィンワックスの溶融による実験室の蓄熱の加熱の遅延。 b-加熱段階でパラフィンワックスに蓄積された追加の熱。





画像No.8：a-パラフィン硬化による実験用蓄熱器の冷却の遅延。 b-冷却段階で測定された、パラフィンによって放出された追加の熱。



科学者たちは、液体成分は低温でも観察できるため、タイムラプス写真を評価するときに、実験の最初の肯定的な結果がすでに見られた可能性があると指摘しています。したがって、目標温度が使用済みパラフィンワックスの融点よりも低い実験でも、大幅な遅延と蓄熱/再利用効果が見られます。



実験で使用したパラフィンは高度に精製された材料ではないため、これはパラフィンワックスの組成に起因する可能性があります。さまざまな長さの炭化水素分子が含まれているため、加熱または冷却すると分画が発生し、さまざまな部分領域がさまざまな温度範囲で溶融および固化します。



これは、誘発されたすべての位相変化に適用され、明確でシャープではなく、ソフトで遅い遷移につながることに注意してください。



さらに、PVCフィルムを使用した場合の溶融中のパラフィン層の変形を分析しました。フィラーが周囲の材料に向かって圧力をかけることによるパラフィンワックスの変位は、くさび形の膨らみをもたらした。その結果、絶縁パラフィン層の厚さは垂直方向に不均一になりました（上部が厚くなり、変位のためにすでに薄くなっています）。ただし、このような副作用は、追加のポリスチレン絶縁フィルムを使用することで軽減できます。



視覚データ（カメラの記録）を分析した後、科学者は加熱段階から始めて温度データの分析を開始しました（画像＃7）。分析では、6つのテストオプションすべてでワックスの溶融による大幅な遅延が見られました。これは、このフェーズが比較的短く、温度が0.49から0.71 K /分に直線的に上昇するという点で注目に値します。



遅延期間の値の範囲（7a）さまざまな実験設定の中で、360秒から1600秒まで大きくなります（平均溶融遅延は約1000秒です）。この数値は、従来のPVCフィルムを使用した場合よりも80％高くなっています。その結果、すべてのテストの結果は、パラフィンの使用の望ましい効果が達成されたことを確認します。ストレージの急速な充電は、ワックス溶融プロセスによって効果的に遅らせることができます。さらに、これらのテストは、横方向の熱損失の減少をさらに示しています。



図3bは、遅延時間と加熱段階で蓄積された熱エネルギーとの間に密接な相関関係があることを示しています（7b）。したがって、エネルギー値も4.21〜12.44 kJ / kgの範囲で大きな変動を示し、平均値は6.55 kJ / kgです。これらの値は非常に小さいですが、より遅い溶融プロセスの検出は、急速な加熱によって悪化する可能性があります。



シール材に関しては、その効果はごくわずかです。同じ温度でのPVCとPSの差は大きくなく、PSの値は5.78 kJ / kgであり、PVCを使用したすべての実験の平均値6.71 kJ / kgよりもわずかに高くなっています。



最も一般的な熱エネルギー貯蔵システム（PTES）に基づいて50,000メートルストレージボリュームと^3、パラフィン層の厚さは、千メートルの体積を有する0.1メートル程度でなければならない³。



結果は、最終的に、ストレージ容量が約3.16・106 MJ（0.88 MWh）から9.33・106 MJ（2.59 MWh）に増加することを示しています。言い換えれば、パラフィンを使用すると、蓄積されたエネルギーの量がわずかに増加します。違いはそれほど大きくはありませんが、パラフィンの本質はボリュームを増やすことではなく、（リークとの戦いで）それを維持することであることを考えると、これは楽しいボーナスと見なすことができます。



さらに、冷却段階でのシステムに対するパラフィンワックスのダイナミクスと影響の計算と評価が行われました（画像No.8）。



ご想像のとおり、冷却段階は線形の温度とエネルギーの勾配ではなく、指数関数的な減少によって反映され、周囲温度に収束します。その結果、この段階では、システム温度が周囲温度と等しくなるまで、はるかに長い期間がカバーされます（8a ;平均95時間、最大144時間）。



パラフィンワックスの硬化によって引き起こされる減速の期間は数桁高いため、冷却段階の分析の最初の結果はすでに大きな違いを示しています（8a）。それらは8500秒（〜2.5時間）から約17000秒（〜4.7時間）まで変化し、平均値は14000秒（〜3.9時間）です。さらに、同じ温度（34℃）でのPS値とPVC値の顕著な違いは、変形プロセスを防ぐためにより多くのパラフィンワックスを使用できるため、シーリング材の重要な効果を示しています。ただし、動作温度が高くなると、遅延時間が増加する明確な傾向はありません。



一般に、冷却段階での遅延の結果は、エネルギー貯蔵の文脈でワックスのより効率的な適用可能性を示しています。その結果、環境への温度勾配の急峻さを低減し、エネルギー損失を最小限に抑えることができます。



実験で使用した自然冷却曲線は、特定のパラフィン用途における断続的なエネルギー貯蔵および放電条件を適切に反映していませんが、結果は、パラフィンワックスが固化するときに回収されるエネルギーによって冷却が遅れることを証明しています。したがって、短期間の排出プロセスは、長期間にわたって緩衝および補償することができ、これにより、貯蔵ハウジング内の温度の低下が遅くなり、したがって、シーリング材料の構造（および結果として、その耐久性）への影響が少なくなる。



実験結果を実際の条件に変換すると、1000 m3のワックス量が、12.01MWhから40.70MWh（平均28.77 MWh）までの追加のストレージ容量を提供することが示されています。





画像No.9：コンテナの変形のさまざまなバリエーションを使用したパラフィン形成と周囲の材料の測定。



すでにご存知のように、今日検討している概念では、パラフィンは、貯蔵容器の外壁の形成された変形の「詰まり」として機能することができます。



さまざまなタイプのリーク（亀裂、丸い穴など）の形状は大きく異なるため、それらの長さや直径を考慮することは不適切です。そのため、サイズ比較の補助パラメータとして全変形面積を使用することにしました（画像＃9の「A」）。



全体的および幾何学的な特徴による変形の異なるダイナミクスにもかかわらず、パラフィンによる壁の自己修復の技術は優れた結果を示しました。原理は非常に単純です。亀裂（またはその他の変形）が発生した場合、パラフィンは周囲の材料と接触します。周囲の材料の温度は十分に低く、硬化して穴が塞がれます。



変形の「修復」の場合に総体積からどれだけのパラフィンが失われるかを理解するために、このプロセスで形成された物体の質量と体積の比較分析を行った。





画像No.10：誘導漏れ後に形成された、パラフィンワックスと周囲の物質からなる物体の質量（a）と体積（b）。



分析の結果、成形体中のパラフィンの割合は36％から67％であることがわかりました。このことから、パラフィン壁はその体積の5cm3から80cm3を失うことになります。総容積800m3を考慮すると、パラフィンワックスの損失は小さく、1.5％から17％の範囲です。



これらの結果は、使用する材料を大幅に消費することなくパラフィンの自己修復特性を適用できること、および提案されたアプローチが非常に効果的に機能することを証明しています。



研究のニュアンスについてのより詳細な知識については、科学者の報告とそれに追加された資料を調べることをお勧めします。

エピローグ

人々が何世紀にもわたって使用してきた多くのものには、これまで誰も考えもしなかった特性と潜在的な用途があります。パラフィンはこの典型的な例です。



私たちの惑星の資源は無制限ではありません、そして私たちはそれらをたくさん消費します。したがって、再生可能エネルギー技術の開発には最大限の注意を払う必要があります。グリーンエネルギーの収集に関心を持っている科学者もいれば、それを保存するための完璧な方法を作成しようとしている科学者もいます。



この研究では、既存の方法を変更したものほど新しい方法については説明していません。現在適用可能な地下エネルギー貯蔵では、主な問題はその漏れです。この作品の著者は、パラフィンワックスがこの問題を解決するための安価で効果的な方法である可能性があることを示唆しました。パラフィンには疎水性から低融点まで、多くの有用な特性があるため、これは驚くべきことではありません。



実験結果は、エネルギー貯蔵のための追加のシェルとして少量のパラフィンを使用すると、漏れが大幅に減少し、システムの熱を貯蔵する能力が向上することを示しています。



将来的には、システムのサイズが大きくなるとそのダイナミクスが変化するため、科学者はそのような刺激的な実験結果を産業規模で変換する方法を理解する予定です。



しかし、この研究の妨げとなっている困難が何であれ、科学者はその重要性を疑うことはありません。新しいデータ、新しい技術、開発は、人類が切実に必要としている再生可能エネルギー業界全体にとって非常に重要だからです。



ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、素晴らしい週末をお過ごしください。

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