Magazynowanie energii, szczególnie energii „zielonej”, należy do najważniejszych współczesnych wyzwań. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie materiałów zmiennofazowych (PCM – phase change materials). Należą do nich m.in. parafiny. Warto zwrócić uwagę, że są one powszechnie dostępne i stosunkowo tanie. Co najważniejsze, oczyszczone parafiny pozostają obojętne dla środowiska naturalnego i nie są toksyczne dla człowieka.
Wraz z rosnącą rolą OZE, przede wszystkim energetyki wiatrowej i fotowoltaniki, konieczne staje się rozwiązanie problemu magazynowania nadwyżek energii, co w efekcie umożliwi jej wykorzystanie w sytuacji niesprzyjających warunków pogodowych. To wymaga posiadania magazynów energii odpowiedniej wielkości i sprawności.
Dziś, jeśli chodzi o magazynowanie energii, rozwiązaniem są baterie litowo-jonowe. Największy z dotychczas uruchomionych magazyn bateryjny zbudowała w Australii Tesla. W wielkim uproszczeniu można powiedzieć, że system to nic innego jak wiele połączonych ze sobą powerbanków. To dobry sposób na energię, ale już niepozwalający na magazynowanie ciepła. Do tego zastosowania zdecydowanie lepsza jest parafina. Warto dodać, że wg danych Głównego Urzędu Statystycznego w 2017 r. w naszym kraju prawie 50% zużywanej energii stanowiło ciepło. Jest ono jednocześnie głównym nośnikiem energii zużywanym przez gospodarstwa domowe – na cele ogrzewania i uzyskania ciepłej wody użytkowej gospodarstwa te konsumują ponad 80% energii cieplnej.
Według Rocky Mountain Institute w 2023 r. zaplanowane i już istniejące inwestycje w rynek magazynów energii osiągną wartość 150 miliardów dolarów. Tylko w pierwszej połowie 2019 r. fundusze venture zainwestowały w firmy rozwijające technologię magazynów 1,4 miliarda dolarów. Z kolei analizy Bloomberg New Energy Finance pokazują, że w 2050 roku nawet połowa światowej energii może pochodzić z odnawialnych źródeł energii. Aby w pełni wykorzystać te źródła konieczny jest rozwój technologii magazynowania energii.
Zacznijmy od początku
Parafiny stałe w warunkach normalnych to węglowodory zawierające 20-60 atomów węgla w cząsteczce. Parafiny pozyskuje się podczas przerobu ropy naftowej bądź wytwarza w drodze syntezy chemicznej.
– Od kilkunastu lat trwają intensywne prace nad wykorzystaniem materiałów, które podczas przemiany fazowej, takiej jak topnienie, krzepnięcie, parowanie, kondensacja, magazynują energię. Jednym z takich materiałów są parafiny, które przechodząc w stan ciekły, absorbują energię cieplną i odwrotnie: podczas zastygania ciepło to oddają – podkreśla Wojciech Szczypka, szef Biura Technologii spółki Polwax SA.
Wspomniany powyżej proces jest czysto fizyczny, odwracalny, przebiega bez strat i bez jakichkolwiek reakcji chemicznych. Pochłanianie ciepła w trakcie topnienia i jego wydzielanie podczas krzepnięcia zachodzi bez zmiany temperatury. Ilość absorbowanej energii wynosi, w zależności od rodzaju parafiny, 140–240 kJ/kg. Zjawisko to można wykorzystać m.in. do akumulacji ciepła.
Już w 1983 r. Roman Domański z Politechniki Warszawskiej i Jerzy Moszyński z Uniwersytetu Delaware wskazywali na potencjał, jaki w zakresie magazynowania energii tkwi w parafinie i woskach parafinowych.
Ważne jest to, że w zależności od potrzeb, z całego spektrum węglowodorów parafinowych można wydzielić parafiny o ściśle określonej temperaturze przemiany fazowej. Mianowicie do stabilizacji temperatury pomieszczeń mieszkalnych wybiera się parafiny, które topią się w zakresie temperatur 20–22oC, a do akumulacji ciepła w domowych zasobnikach wody użytkowej stosuje się parafiny o temperaturze przemiany fazowej w granicach 45–65oC. Już kilka lat temu jeden ze światowych koncernów wprowadził na rynek kilka materiałów budowlanych z mikrokapsułkami z PCM (Micronal®), np.: tynk gipsowy, płytę konstrukcyjną z gipsu i spieniony powietrzem blok betonowy. Mikrokapsułki Micronal® zawierają w polimerowej osłonce parafinę.
W praktyce odpowiednie rodzaje parafin stosuje się jako wypełnienie materiałów budowlanych. Parafiny zamknięte w kapsułkach są dodawane do tynków lub do cegieł. Tak przygotowane materiały budowlane przeciwdziałają nadmiernemu nagrzewaniu się czy wychładzaniu pomieszczeń.
Aby zwiększyć pojemność cieplną zasobników ciepłej wody, w przypadku których ciepło pozyskiwane jest np. z kolektorów słonecznych, wypełnia się zasobniki kapsułami z parafiną. Woda podczas ogrzewania się podnosi temperaturę parafin, które topiąc się, akumulują energię. W czasie gdy kolektory solarne nie dostarczają ciepła, parafina, zestalając się w kapsułach, oddaje ciepło i podgrzewa wodę w zasobnikach.
– Z zainteresowaniem przyglądamy się różnym możliwościom, jakie daje zastosowanie parafin. To, co dziś jest trudne lub wręcz niemożliwe, jutro może stać się przełomową technologią. Jestem przekonany, że wykorzystanie różnego rodzaju produktów parafinowych w akumulatorach ciepła ma przyszłość – stwierdza Leszek Stokłosa, prezes zarządu spółki Polwax SA. – Jesteśmy otwarci na współpracę, w zakresie zarówno badań, jak i ich późniejszej komercjalizacji – podsumowuje prezes Stokłosa.
Parafiny znalazły zastosowanie nie tylko w budownictwie, lecz także w transporcie, elektronice, przemyśle rolno-spożywczym i tekstylnym. To przyczyniło się do częściowej rezygnacji z użytkowania energochłonnych instalacji klimatyzacyjnych.
Źródło: Polwax S.A.
