
O uso de fontes de energia renováveis promete muitas "vantagens de dar água na boca": economia significativa de recursos, melhoria das condições ambientais e até mudanças sociais em algumas regiões do planeta. No entanto, para que essas vantagens sejam totalmente utilizadas, é necessário aprender como armazenar com eficácia a energia coletada, mas não utilizada. No momento, o armazenamento subterrâneo é um método muito comum. Com a ajuda deles, por exemplo, é possível aproveitar o excedente de energia solar acumulado no verão durante os meses de inverno. Cientistas da Universidade Halle-Wittenberg. Martin Luther (Alemanha) decidiu testar se o uso de cera de parafina na construção de instalações subterrâneas de armazenamento de energia térmica pode torná-las mais confiáveis, duráveis e eficientes. Quais experimentos foram realizados para testar essa ideia, o que eles mostraram,e a cera é tão boa quanto os cientistas pensavam nela? Aprendemos sobre isso com o relatório dos pesquisadores. Ir.
Base de pesquisa
Obviamente, nem em todas as regiões de nosso belo planeta, as mesmas fontes de energia renovável produzirão a mesma produção durante todo o ano. A energia solar é um excelente exemplo disso.
Existem vários métodos para armazenar o excesso de energia acumulada (neste caso, na forma de calor): latente, químico, mecânico, etc.
Enquanto os acumuladores de calor latente usam efeitos de transição de fase (por exemplo, água / gelo), os acumuladores termoquímicos são baseados em reações endo e exotérmicas reversíveis, como a hidratação com sal. Esses métodos específicos são bastante eficazes, mas raramente são usados devido aos altos custos do material inicial.
Outra tecnologia comum é o armazenamento de energia térmica em grandes piscinas artificiais acima do solo. Como um transportador de calor em tais estruturas, água ou cascalho cheio de água com um volume de vários milhares de metros cúbicos é usado.
Existem muitos métodos de armazenamento, todos eles funcionam em um grau ou outro, mas também existem problemas, alguns dos quais são comuns a todos os métodos. O problema mais óbvio é a perda de calor.
Para evitar vazamentos, a piscina onde está localizado o transportador de calor (água, por exemplo) deve ser vedada e ter baixa condutividade térmica. A solução para esse problema no momento é uma casca de plástico fina. No entanto, os materiais usados para esta cápsula não são os ideais e, portanto, ainda há vazamentos. A razão para isso pode ser a má qualidade ou fragilidade do material isolante, o que leva ao contato do refrigerante com o ambiente, o que diminui a eficiência de todo o sistema.
Diante dos problemas descritos acima, os cientistas decidiram testar a possibilidade de usar cera como material isolante para evitar vazamentos térmicos em instalações de armazenamento.
A cera de parafina é uma mistura de moléculas de hidrocarbonetos com diferentes números de átomos de carbono. Os comprimentos da cadeia C variam de 20 a 60 para ceras de parafina macias e duras, e este valor controla tanto o ponto de fusão quanto os pontos de solidificação do material. Por exemplo, a uma temperatura de solidificação de 42 ˚C e um ponto de fusão de 40 ˚C, as moléculas têm um comprimento de cadeia de cerca de 21 átomos de carbono. A popularidade da parafina na área de armazenamento também é explicada por um indicador bastante bom do calor específico de fusão (de 150 kJ / kg a 220 kJ / kg) e uma condutividade térmica bastante baixa (de 0,15 W / m K a 0,30 W / m K, que é uma ordem de magnitude menor do que o cascalho saturado com água - cerca de 2,4 W / mK). Além disso, a parafina é um material hidrofóbico e não tóxico.
Uma coisa é expressar belas teorias, outra bem diferente é ter evidências factuais de sua confiabilidade. Para fazer isso, os cientistas conduziram uma série de experimentos nos quais várias combinações de condições foram implementadas (condições de temperatura, espessura da membrana de parafina testada, etc.).
Preparação para o experimento
Na primeira fase do estudo, os cientistas mediram a perda de energia ao usar parafina dentro de duas seções das camadas de vedação da estrutura do PTES (para armazenamento de energia térmica do poço).

Imagem nº 1: Diagrama de uma configuração experimental (vista superior) para teste de desempenho térmico, mostrando a localização dos sensores de temperatura e dos materiais utilizados (PVC - filme de policloreto de vinila; PS - placas de vidro de poliestireno).

Imagem # 2: foto de uma instalação experimental com um filme de PVC preto (a) e (bd) PS como camada de vedação. Legenda: 1 - material circundante; 2 - camada isolante de parafina; 3 - filme de PVC; 4 - água; 5 - placas PS de vedação; 6, 7 - sensores de temperatura em parafina / água; 8 - dispositivo de aquecimento; 9 - câmera.
Um recipiente de vidro acrílico com dimensões de 1000 x 300 x 600 mm (comprimento, largura, altura) foi usado como uma cerca externa. Dentro havia um pequeno dispositivo de armazenamento de calor com água desionizada como material de transporte. O próprio tanque de armazenamento (600 x 200 x 400 mm) foi adicionalmente encerrado em um invólucro de vedação interno.
Na primeira série de experimentos, a selagem foi realizada em placas de vidro de poliestireno rígido (PS) com 5 mm de espessura. Na segunda série de experimentos, as placas de PS foram substituídas por uma película de cloreto de polivinila (PVC ou PVC) de 0,5 mm de espessura, comumente usada para selar tanques existentes.
Os cientistas observam que a comparação entre as folhas de PS e PVC permite que eles se concentrem na potencial deformação mecânica quando a parafina é incluída no sistema de isolamento, que foi embutido entre as camadas da membrana de vedação em um dos lados curtos do recipiente ( 2a e 2b ).
Cera de parafina pura foi usada nos experimentos. No interior da membrana de vedação, foi distribuído por toda a superfície sem vazios (poros), o que não aconteceria com os compósitos parafínicos.
Em uma série de experiências com placas de PS, a espessura da camada de parafina foi de 20 mm ( 2b ) e o volume foi de 1600 ml. Em uma série de experimentos com PVC, os parâmetros foram os mesmos ( 2a) A cera usada tem um ponto de solidificação relativamente baixo a 42 C e um ponto de fusão a cerca de 40 C.
A tampa superior do recipiente foi feita de filme plástico transparente para minimizar os efeitos da evaporação. O granulado de vidro espumado foi usado para proteger ainda mais o experimento de influências ambientais e para simular as propriedades granulares do solo ao redor do tanque em condições reais. Considerando que este material é reciclável e possui granulometria de no máximo 5–8 mm, também funciona como isolante térmico externo (condutividade térmica λ = 0,084 W / mK).
Um termostato de laboratório com energia elétrica de 2 kW ( 2c e 2d), enquanto um elemento de aquecimento com bomba de circulação foi instalado no centro da coluna de água. Assim, foi criada uma imitação do procedimento de carregamento direto sem estratificação térmica na bacia e uma distribuição uniforme de temperatura foi alcançada em todas as áreas do ambiente. Dois multiplexadores de 20 canais da Keysight 34901A e um Keysight 34972A foram usados para medição de temperatura e registro de dados. Um total de 15 sensores de temperatura ( 2d ) Pt100 foram conectados (características: aço inoxidável, à prova d'água, 4 fios, comprimento 500 mm, ponta de medição 20 mm, precisão 1/10 DIN).
A precisão dos sensores depende diretamente da temperatura. Na faixa de temperatura para todos os experimentos, ela variou de ± 0,04 ˚C (a 20 ˚C) a ± 0,06 ˚C (a 60 ˚C). Três sensores foram embutidos diretamente na própria cera em diferentes alturas.
Os experimentos foram monitorados visualmente por meio de uma câmera HD instalada.

Imagem nº 3: a - diagrama do processo de experimentos para determinar as características térmicas; b - fases do experimento (rosa - retardo de aquecimento / resfriamento devido aos efeitos de aleatoriedade de fase; linhas: azul - água, verde - parafina, amarela - material circundante).
A segunda etapa do estudo consistiu em verificar a perda de calor no caso do uso da parafina.
Os testes de vazamento confirmaram o mecanismo de autocura desejado ao usar cera de parafina em membranas de armazenamento à prova d'água. Como a parafina é usada em sua forma pura, ela tem uma transição térmica direta com as interfaces das camadas interna e externa e, portanto, deve primeiro derreter na fase de aquecimento. Posteriormente, deve ser na forma de um líquido móvel hidrofóbico para fechar os caminhos para o material circundante mais frio em caso de vazamentos.

Imagem nº 4: Diagrama de uma configuração experimental para verificação de vazamentos (verde - parafina, azul - água, vermelho - camada de PVC, amarelo - material circundante. Os pontos indicam a posição dos sensores.

Imagem nº 5: a - foto da configuração experimental; b - trinca no filme de PVC com vazamento de parafina; c - lixar com parafina; d - ligação impermeável do material circundante com os poros preenchidos com parafina.
Os equipamentos de operação e medição (sensores, aquecimento, etc.) eram os mesmos da configuração experimental anterior. As diferenças eram apenas em algumas dimensões: o invólucro externo de poliestireno era menor (400 x 200 x 200 mm), e o material ao redor foi instalado apenas em um lado do recipiente ( 5a ). Camada de parafina com 20 mm de espessura (800 cm 3) foi aplicado em contato direto com o enchimento de água desionizada interno (280 mm x 200 mm x 200 mm). Na placa PS externa, uma janela de 50 x 50 mm foi coberta com folha de PVC para simular vários tipos de vazamentos de selante, como rachaduras, grandes orifícios e áreas perfuradas ( 5b ).
A área do material ao redor do recipiente era, em última instância, de 100 x 200 x 200 mm, o que possibilitava observar claramente e medir com razoável precisão o rendimento e a dispersão da cera de parafina ( 5c e 5b ).
O material circundante eram duas substâncias, cada uma das quais foi usada em uma série separada de experimentos: areia fina (tamanho de grão: 0,063 a 2 mm) foi usada para simular condições reais; bolas de vidro com diâmetro de 3 mm para simular a estrutura granular ideal e para testar o comportamento da cera fundida em ambientes com espaço altamente poroso ( 5a ).

Imagem nº 6: a - diagrama do processo de experimentos de vazamento; b é uma vista de cima das regiões de cera formadas após um vazamento.
Resultados experimentais
Os gráficos abaixo (# 7 e # 8) mostram os resultados dos testes de desempenho térmico nas fases de aquecimento e resfriamento para as seis configurações experimentais selecionadas.

Imagem nº 7: a - aquecimento retardado do armazenamento de calor do laboratório devido ao derretimento da cera de parafina; b - calor adicional acumulado na cera de parafina durante a fase de aquecimento.

Imagem nº 8: a - resfriamento retardado do acumulador de calor do laboratório devido ao endurecimento da parafina; b - calor adicional liberado pela parafina, medido na fase de resfriamento.
Os cientistas observam que os primeiros resultados positivos dos experimentos já puderam ser vistos na avaliação da fotografia de lapso de tempo, uma vez que os componentes líquidos puderam ser observados mesmo em baixas temperaturas. Portanto, mesmo experimentos em que as temperaturas-alvo estão abaixo do ponto de fusão da cera de parafina usada mostram retardamento significativo e efeitos de armazenamento / reutilização de calor.
Isso pode ser devido à composição da cera de parafina, uma vez que a parafina usada nos experimentos não é um material altamente purificado. Uma vez que contém moléculas de hidrocarbonetos de diferentes comprimentos, o fracionamento ocorre quando aquecido ou resfriado, e diferentes regiões parciais fundem e solidificam em diferentes faixas de temperatura.
Deve-se notar que isso se aplica a todas as mudanças de fase induzidas que levam não a transições claras e nítidas, mas a transições suaves e lentas.
Além disso, analisamos as deformações da camada de parafina durante a fusão ao usar um filme de PVC. O deslocamento da cera de parafina devido à pressão do enchimento em direção ao material circundante resultou em uma protuberância em forma de cunha. Como resultado, a espessura da camada isolante de parafina tornou-se não uniforme verticalmente (mais espessa no topo, mais baixa já devido ao deslocamento). No entanto, esses efeitos colaterais podem ser mitigados usando um filme isolante de poliestireno adicional.
Depois de analisar os dados visuais (gravações da câmera), os cientistas procederam à análise dos dados de temperatura, começando com a fase de aquecimento (imagem nº 7). A análise mostrou atrasos significativos devido ao derretimento da cera em todos os seis casos de teste. Isso é notável porque esta fase é relativamente curta, com um aumento linear na temperatura de 0,49 a 0,71 K / min.
Intervalo de valor do período de atraso ( 7a) de várias configurações experimentais é grande, de 360 s a 1600 s (o atraso médio de fusão é de cerca de 1000 s). Este valor é 80% superior ao da utilização de filme de PVC convencional. Consequentemente, os resultados de todos os testes confirmam que o efeito desejado do uso da parafina foi alcançado: o carregamento rápido do armazenamento pode ser efetivamente retardado pelo processo de derretimento da cera. Além disso, esses testes indicam ainda uma diminuição na perda de calor lateral.
A Figura 3b mostra que há uma correlação próxima entre o tempo de atraso e a energia térmica acumulada durante a fase de aquecimento ( 7b) Consequentemente, os valores de energia também apresentam grandes oscilações, na faixa de 4,21 a 12,44 kJ / kg com um valor médio de 6,55 kJ / kg. Esses valores são muito pequenos, no entanto, a detecção de processos de fusão mais lentos pode ser agravada pelo aquecimento rápido.
Quanto ao material de vedação, seu efeito é bastante insignificante. A diferença entre PVC e PS na mesma temperatura é pequena, e o valor para PS, igual a 5,78 kJ / kg, não é muito superior ao valor médio de 6,71 kJ / kg para todos os experimentos com PVC.
Com base nos sistemas de armazenamento de energia térmica (PTES) mais comuns, com um volume de armazenamento de 50.000 m 3, a espessura da camada de parafina deve ser de cerca de 0,1 m com um volume de 1000 m 3 .
Os resultados mostram, em última análise, um aumento na capacidade de armazenamento de cerca de 3,16 · 106 MJ (0,88 MWh) para 9,33 · 106 MJ (2,59 MWh). Em outras palavras, o uso de parafina aumentará ligeiramente a quantidade de energia armazenada. Embora a diferença não seja muito grande, ela pode ser considerada um bônus agradável, visto que a essência da parafina não é aumentar o volume, mas preservá-lo (no combate a vazamentos).
Além disso, cálculos e avaliação da dinâmica e influência da cera no sistema foram realizados durante a fase de resfriamento (imagem nº 8).
Como você pode esperar, a fase de resfriamento é refletida não por uma temperatura linear e gradiente de energia, mas por uma diminuição exponencial, convergindo para a temperatura ambiente. Como resultado, esse estágio cobre períodos de tempo muito mais longos até que a temperatura do sistema seja igual à temperatura ambiente ( 8a ; média de 95 horas, máximo de 144 horas).
Os primeiros resultados da análise da fase de resfriamento já mostram diferenças significativas, uma vez que os períodos de desaceleração causados pelo endurecimento da cera de parafina são várias ordens de magnitude maiores ( 8a) Eles variam de 8.500 s (~ 2,5 h) a cerca de 17.000 s (~ 4,7 h), com um valor médio de 14.000 s (~ 3,9 h). Além disso, a diferença marcante entre os valores de PS e PVC na mesma temperatura (34 ˚C) indica um efeito significativo do material de vedação, pois mais cera de parafina pode ser usada para evitar processos de deformação. No entanto, em temperaturas operacionais mais altas, não há tendência clara para o aumento do tempo de atraso.
Em geral, os resultados dos atrasos na fase de resfriamento demonstram uma aplicabilidade mais efetiva da cera no contexto de armazenamento de energia. Como resultado, a inclinação dos gradientes térmicos em relação ao meio ambiente pode ser reduzida e as perdas de energia minimizadas.
Embora a curva de resfriamento natural usada nos experimentos não reflita adequadamente o armazenamento de energia intermitente e as condições de descarga na aplicação de parafina em particular, os resultados provam que o resfriamento é atrasado pela energia recuperada quando a cera de parafina se solidifica. Assim, os processos de descarga de curto prazo podem ser amortecidos e compensados por um período mais longo, o que leva a uma diminuição mais lenta da temperatura no compartimento de armazenamento e, portanto, a um efeito menor na estrutura do material de vedação (e, como consequência, em sua durabilidade).
Se traduzirmos os resultados do laboratório em condições reais, eles mostram que um volume de cera de 1000 m3 fornecerá capacidade adicional de armazenamento de 12,01 MWh a 40,70 MWh (média de 28,77 MWh).

Imagem nº 9: medições das formações de parafina e do material circundante com diferentes variantes de deformação do recipiente.
Como já sabemos, no conceito que estamos considerando hoje, a parafina pode servir como um "tampão" das deformações formadas nas paredes externas do recipiente de armazenamento.
Como as formas dos diferentes tipos de vazamentos (rachaduras, orifícios redondos, etc.) variam muito, seria inadequado levar em consideração seu comprimento ou diâmetro. Portanto, decidiu-se usar a área de deformação total como um parâmetro auxiliar para a comparação do tamanho ("A" na imagem # 9).
Apesar das diferentes dinâmicas das deformações devido às suas características gerais e geométricas, a técnica de autocura das paredes por parafina apresentou excelentes resultados. O princípio é muito simples: em caso de fissura (ou qualquer outra deformação), a parafina entra em contacto com o material envolvente, cuja temperatura é suficientemente baixa para provocar o seu endurecimento, o que conduz ao bloqueio do furo.
Para entender quanta parafina será perdida do volume total no caso de "reparo" da deformação, foi realizada uma análise comparativa da massa e do volume dos corpos formados neste processo.

Imagem nº 10: massa (a) e volume (b) de corpos formados após o vazamento induzido, consistindo de cera de parafina e material circundante.
A análise mostrou que a proporção de parafina nos corpos formados é de 36% a 67%. Conclui-se que a parede de parafina perde de 5 cm3 a 80 cm3 de seu volume. Levando em consideração o volume total de 800 m3, as perdas de cera de parafina são pequenas e variam de 1,5% a 17%.
Esses resultados comprovam que as propriedades autocurativas da parafina podem ser aplicadas sem consumo significativo do material utilizado e que a abordagem proposta funciona de forma bastante eficaz.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório dos cientistas e materiais adicionais a ele.
Epílogo
Muitas coisas que as pessoas usam há séculos têm propriedades e usos potenciais nos quais ninguém havia pensado antes. A parafina é um excelente exemplo disso.
Os recursos do nosso planeta não são ilimitados, e nós os consumimos muito. Portanto, o desenvolvimento de tecnologias de energia renovável deve receber a máxima atenção. Enquanto alguns cientistas estão preocupados em coletar energia verde, outros estão tentando criar o método perfeito para armazená-la.
Este estudo descreveu não tanto um novo método, mas uma modificação do existente. No armazenamento subterrâneo de energia atualmente aplicável, o principal problema é seu vazamento. Os autores deste trabalho sugeriram que a cera de parafina poderia ser uma maneira barata e eficaz de resolver esse problema. E isso não é surpreendente, porque a parafina tem uma série de propriedades úteis: da hidrofobicidade ao baixo ponto de fusão.
Resultados experimentais mostraram que o uso de um pequeno volume de parafina como camada adicional para armazenamento de energia reduz significativamente o vazamento e aumenta a capacidade do sistema de armazenar calor.
No futuro, os cientistas pretendem descobrir como traduzir esses resultados laboratoriais inspiradores em escala industrial, já que com o aumento banal do tamanho do sistema, sua dinâmica muda.
Porém, por mais que sejam as dificuldades que impeçam esta pesquisa, os cientistas não duvidam de sua importância, pois quaisquer novos dados, novas tecnologias e desenvolvimentos são de grande importância para toda a indústria de energias renováveis, de que a humanidade tanto necessita.
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham um ótimo final de semana galera!
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