UMEÅ UNIVERSITET 2011-03-23 Tillämpad fysik och elektronik Fördjupningsprojekt Per Holmgren - per.a.e.holmgren@student.umu.se Maria Gårdestedt - maria.gardestedt@gmail.com Handledare: Lars Bäckström & Åke Fransson Underso kning av zeoliters potentiella anva ndningsomra den Gustav Güthlein Maria Gårdestedt Per Holmgren 3/23/2011 Syftet med rapporten är att ta fram ett bidrag till ett framtida kompendium inom energilagringsteknik. Studiens rapport sammanställs med information inhämtad från vetenskapliga artiklar, böcker och hemsidor. Resultatet utgörs av fakta om zeoliten och dess energilagringsförmåga, ett teoriavsnitt, exempel på installationer samt diskussion om aspekter kring miljö, ekonomi och hållbarhet samt framtida potential. Zeoliten som energilagringsmedium har ingen negativ inverkan på miljön och ekonomiskt sett är råvaran relativt billig. Studier har visat att användning av zeolit kan leda till väsentliga energibesparingar.
UMEÅ UNIVERSITET 2011-03-23 Tillämpad fysik och elektronik Fördjupningsprojekt Per Holmgren - per.a.e.holmgren@student.umu.se Maria Gårdestedt - maria.gardestedt@gmail.com Handledare: Lars Bäckström & Åke Fransson Innehåll Inledning... 1 Syfte... 1 Metod... 1 Resultat... 1 Diskussion... 1 Slutsats... 3 - Undersökning av zeoliters potentiella användningsområden...
UMEÅ UNIVERSITET 2011-03-23 Tillämpad fysik och elektronik Fördjupningsprojekt Per Holmgren - per.a.e.holmgren@student.umu.se Maria Gårdestedt - maria.gardestedt@gmail.com Handledare: Lars Bäckström & Åke Fransson Inledning Nuvarande kurslitteratur i kursen anses vara bristfällig och dyr. Genom att sammanställa ett kompendium som innehåller information om diverse energilagringsformer så kan underlaget till kursen förbättras. Idag används zeoliter främst inom icke energirelevanta kemikaliska processer. På senare tid har det även börjat användas i energirelaterade applikationer. Denna rapport kommer att behandla energilagring med zeoliter. Syfte Syftet med projektet var att göra ett bidrag till ett framtida kompendium om energilagringsteknik. En informationsrik rapport om det valda ämnet skulle därför sammanställas för att få en god uppfattning om ämnet och dess lagringsprinciper, användningsområden och påverkan på miljö och samhälle. Nedanstående punkter anses vara relevanta för ett framtida ställningstagande och kommer därför att undersökas närmare. Verkningsgrad Kemikaliska processer som uppstår, och hur värme lagras i zeoliten Livscykler Potentiella användningsområden Metod Denna rapport är en informationssammanställning, vilket medför att metoden som använts är informationssökning i databaser och på internet. Databasen som främst använts för att hitta rapporter är Web of Science, och de hemsidor som använts återfinns i referenslistan, vilka lokaliserats med hjälp av sökmotorer. Resultat Resultatet från studien återfinns i den bifogade bilagan Zeoliter och dess potentiella användningsområden. Diskussion Med tanke på att stor del av informationen har hämtats ur granskade vetenskapliga artiklar och böcker, kan resultatet anses vara pålitligt. Mindre relevant information så som till exempel namnets betydelse och årtal för upptäckt har hämtats från opålitliga källor. Dock är denna typ av information ej avgörande i det sammanhang som 1
UMEÅ UNIVERSITET 2011-03-23 Tillämpad fysik och elektronik Fördjupningsprojekt Per Holmgren - per.a.e.holmgren@student.umu.se Maria Gårdestedt - maria.gardestedt@gmail.com Handledare: Lars Bäckström & Åke Fransson studien behandlar. Bedömningen att detta ej påverkar trovärdigheten hos rapporten har därför gjorts. De begränsningar som stötts på har främst varit att hitta information kring kostnadsberäkningar och tabellerade värden för energiegenskaper hos de naturliga zeoliterna. Utbudet av relevanta artiklar på Web of Science var mycket begränsat. Den tilldelade tiden för projektet var ej tillräcklig för beställning av artiklar vilket kraftigt begränsade utbudet på relevant information. Ämnet zeoliter nämns ofta väldigt flyktigt i diverse kurslitteratur, vi anser därför att detta kompendium kommer förse framtida studenter med en konkret och lättillgänglig informationskälla rörande ämnet zeoliter. Något som saknas i kompendiet är beräkningsexempel och jämförelser med andra energilagringsmetoder. En given komplettering är därför beräkningsexempel där teorin tillämpas, och jämförelser med andra energilagringsmetoder där aspekterna ekonomi och energi tas upp. Syftet med att undersöka verkningsgraden har delvis uppfyllts. Information för hur beräkningar av den termiska värmefaktorn för de vanligaste värmelagringssystemen återfinns i kompendiet, dock saknas konkreta värden. De kemikaliska processer som uppstår och hur energin lagras i zeoliten finns väl beskrivet i kompendiet och denna frågeställning anses därför vara uppfylld. Zeolitens livslängd behandlas delvis. Värden för hur många cykler som materialet klarar av återfinns i kompendiet, dock kan ej någon slutsats om livslängden dras då antalet cykler kraftigt varierar beroende på applikation och typ av zeolit. Potentiella användningsområden finns väl beskrivna i kompendiet, där flertalet exempel på nuvarande applikationer och framtida användningsområden tas upp. 2
UMEÅ UNIVERSITET 2011-03-23 Tillämpad fysik och elektronik Fördjupningsprojekt Per Holmgren - per.a.e.holmgren@student.umu.se Maria Gårdestedt - maria.gardestedt@gmail.com Handledare: Lars Bäckström & Åke Fransson Slutsats I dagsläget återfinns zeoliter som värmelager främst i solenergisystem. Exempel på andra applikationer är ett delat kyl- värmesystem för en skola och en jazzklubb, samt i en torkprocess hos en diskmaskin. Prisbilden på zeoliter varierar kraftigt, där de naturliga zeoliterna är billiga och de syntetiska ofta är mycket dyra. Detta medför att det är svårt att dra någon slutsats om kostnader. Zeolit har mycket låg miljöpåverkan, vilket talar för att de kommer nyttjas i större utsträckning i framtiden. Något som också talar för användning av naturlig zeolit är den mycket stora tillgången. Potentiella användningsområden är bland annat som mycket långvariga värmelager, luftkonditionering och tillämpning i solvärmesystem. Som bidrag till det framtida kompendiet är denna sammanställning rik på information och ger grundläggande presentation av lagringsmediet samt hur den fungerar i olika system. En bild av hur teorin runt lagringsmediet kan användas i beräkningar, och en uppfattning om lagringsmediets påverkan på olika aspekter ges. Kompendiet kommer således ge en bred bild av lagringsmediet. 3
UMEÅ UNIVERSITET 2011-03-23 Tillämpad fysik och elektronik Per Holmgren - per.a.e.holmgren@student.umu.se Maria Gårdestedt - maria.gardestedt@gmail.com Handledare: Lars Bäckström & Åke Fransson Zeoliter som energilagringsmedium Gustav Güthlein Maria Gårdestedt Per Holmgren 3/23/2011 Zeoliter är en form av mineral, med en mycket öppen och regelbunden kristallstruktur. Detta gör att den kan användas för många ändamål, bl.a. som latent energilagringsmedium. I dagsläget återfinns zeoliter som värmelager främst i solenergisystem. Energilagringen sker genom att vatten binds mot den porösa ytan, där vattenmolekylerna får en lägre energinivå, med värmeutveckling som följd. Genom att torka och sedan tillföra vattenånga kan zeolit användas som latent värmelager. Exempel på applikationer är ett delat kyl- värmesystem för en skola och en jazzklubb, samt en diskmaskin. Prisbilden på zeoliter varierar kraftigt, där de naturliga zeoliterna är billiga och de syntetiska ofta är dyra. Zeolit har låg miljöpåverkan, vilket talar för att de kommer nyttjas i större utsträckning i framtiden. Något som också talar för naturlig zeolit är den stora tillgången. Potentiella användningsområden är bland annat som långvariga värmelager, luftkonditionering och tillämpning i solvärmesystem.
Innehållsförteckning Inledning... 1 Vad är zeoliter?... 1 Användningsområden... 1 Historia... 1 Tillgång... 1 Teori... 2 Zeolitens uppbyggnad... 2 Värmelagring... 2 Livslängd... 3 Relevant teori för tillämpning... 3 Temperaturökning... 4 Energidensitet... 4 Termiska Värmefaktorn (COP th )... 5 Systembetraktelse... 6 Exempel på installationer... 8 Delat värme- kylsystem... 8 Torksystem i diskmaskin... 9 Aspekter kring ekonomi, miljö och hållbarhet... 11 Ekonomi... 11 Miljö och hållbarhetsaspekter... 11 Framtida potential och trender... 12 Litteraturförteckning... 13
Inledning Vad är zeoliter? Zeolit är ett naturligt förekommande mineral, vars höga adsorbationsvärme och förmåga att fuktas och återfuktas utan att förlora sin strukturella stabilitet har visat sig vara användbart i värmelagringssammanhang. Genom att använda zeoliter kan speciellt värme från solfångare och spillvärme från industrier lagras och omvandlas till användbar energi vid behov. (1) När zeoliten laddas torkas den, och genom att lagra den i en kontrollerad miljö utan fukt kan denna latenta värme lagras i princip hur länge som helst. Den lagrade energi kan frigöras genom kontrollerad tillförsel av vattenånga, vilket startar upp den exoterma reaktionen. Förmågan att lagra energi utan förluster under lång tid är något som utmärker zeoliten från många andra lagringsmedium. (2) Användningsområden Zeoliter har många olika användningsområden, vattenrening och för att omvandla hårt vatten till mjukt vatten i tvättmedel, krackning inom oljeindustrin, isolering av radioaktiva partiklar inom kärnkraftsindustrin, inom asfalt och cementframställningen, för att rensa kroppen från tungmetaller inom medicin, som fuktutjämnare inom jordbruket, som luftrenare, som värmelagringsmedium och även i vissa fall som ädelstenar. (1) Den här rapporten kommer att fokusera på zeolitens egenskaper som värmelagringsmedium. Zeoliter uppvisar många mycket intressant egenskaper som värmelagringsmedium, och används redan flitigt i solvärmelagringssystem. Historia Termen zeolit myntades 1756 av den svenske mineralogen Axel Cronstedt, som upptäckte att när man värmde materialet började det bubbla. Ordet kommer från de grekiska orden "zeo" (att koka) och "lithos" (sten). (1) Under 1900-talet har utvecklingen av syntetiska zeoliter gett upphov till över 150 nya sorters zeoliter, utöver de ca 40 naturliga som upptäckts. (1) Det var inte förens under 1970-talet som idén att använda zeoliter som värmelagringsmedium utforskades. (3) Tillgång I dagsläget bryts ungefär 4 miljoner ton zeolitmineral, varav 2,5 miljoner skeppas till Kina, där den används för att producera cement. Ungefär 1,7 miljoner ton syntetisk zeolit produceras årligen, där fem sjättedelar används av tvättmedelsmarkanden, då de används för att göra hårt vatten mjukt, genom att byta ut de lösta kalcium- och magnesiumjonerna mot natriumjoner. Tillgången till naturliga zeoliter är god, men då de innehåller föroreningar är de inte lämpade till många av de arbetsområden där zeoliter kan vara användbara. Syntetiska zeoliter är dyrare att framställa, men deras egenskaper går att styra i betydligt högre grad än de som återfinns i naturen. (4) I nuläget existerar inga officiella data rörande mängden brytbar zeolit i värden, dock uppskattas denna mängd vara relativt stor vilket kan anses vara lovande för framtida energiapplikationer. (5) 1
Teori Zeolitens uppbyggnad Zeoliter består av aluminosilikater 1 med kristallstruktur. Aluminiumet och kislet är bundet till fyra syreatomer i en tetrahedral formation, och delar på alla syreatomer. Detta medför att den resulterande kristallstrukturen är mycket öppen med stora håligheter och kanaler. (6) Figur 1: Illustration av strukturen hos en zeolit. (7) Dessa hålrum utgör mellan 20-50% av den totala kristallvolymen och innehåller ofta vatten. Genom att utnyttja dessa hålrum och kanaler kan värmelagring möjliggöras. Den generella kemiska formeln för en zeolit innehållandes vatten ser ut enligt följande: Formel 1: Generell kemisk formel för en zeolit, där A representerar Ca, Na, K, Ba, eller Sr, och X representerar Al eller Si. (6) Värmelagring Då zeoliten tillförs energi (i form av värme) kommer denna absorberas av de uppbundna vattenmolekylerna och höja energinivån hos dessa. Detta medför att bindningarna mellan kristallstrukturen och vattenmolekylen försvagas och tillslut bryts. Vattenmolekylerna kommer då att lämna zeoliten via en endoterm reaktion. Då vattenånga sedan tillförs till zeoliterna kommer dessa att binda till sig vattenmolekylerna, vilket medför att energinivåerna hos molekylerna sänks och energi frigörs i form av värme. Något som kan noteras är att eftersom det är främst är vattnet som tar upp/avger energi så kommer temperaturen hos zeoliten vara relativt konstant under reaktionen. Detta medför att energiförlusterna till omgivningen kommer att vara mycket små, vilket möjliggör extremt långa lagringstider. (6) 1 Aluminosilikater är mineraler som består av aluminium, kisel och syre. 2
Genom att värma upp zeolit tillräckligt mycket för att vatten skall avges, och därefter förvara denna torrt kan den användas som ett värmelager. Då värmen sedan skall utvinnas kan vattenånga tillföras för att frigöra energi. Denna process går att upprepa, då kristallstrukturen teoretiskt ej bör ta skada av desorbationen. (6) Dock har experimentella studier visat att upprepade cykler faktiskt försämrar värmelagringsförmågan hos zeoliter. (8) Livslängd Livslängden, det vill säga antal cykler som materialet som klarar av utan en kraftig försämring av värmelagringsförmågan, är en avgörande faktor för huruvida materialet effektivt kan användas till värmelagring. En studie av den syntetiska zeoliten 13X visar att zeolit försämras med antalet cykler. I studien införskaffades 13X från 3 olika leverantörer och testades under 1600 till 3500 cykler. Resultat från studien visar att vattenupptagningsförmågan försämrades hos alla proven, där det sämsta efter 1600 cykler tog upp 65 % av det vatten som kunde tas upp under den första cykeln, och den bästa tog upp 79 % av vattnet efter 3500 cykler. Den främsta orsaken till försämringen ansågs vara nedbrytning av kristallstrukturen. (9) Relevant teori för tillämpning Den relevanta teorin är främst baserat på beräkningar med ett system där zeolit används som en solid adsorbent, och fuktig luft används som medium för att utvinna energi från energilagret. Även system som använder endast vatten förekommer, men inte i lika hög utsträckning. Dock är ekvationerna nedan, med några få modifikationer, applicerbara även för dessa system. I Figur 2 åskådliggörs ett system med fuktig luft. Figur 2: Schematisk bild som beskriver värmelagringsprocessen för ett öppet system. (10) 3
Temperaturökning Fuktig luft används ofta för att utvinna energi från zeoliterna, något som då är intressant att beräkna är temperaturökningen hos luften, då denna underlättar andra energiberäkningar. Om fuktig luft får strömma genom en bädd med torra zeoliter kan temperaturökningen hos luften beräknas enligt följande: = = Ekvation 1: ekvation för beräkning av temperaturökningen hos fuktig luft. (11) Där x=x in -x out och representerar skillnaden i luftfuktighet. H ads är integralen mellan vattenkoncentrationerna C ads och C des för den adsorberade värmeskillnaden H d. C = C ads -C des beskriver skillnaden i vattenkoncentration för det adsorberande materialet (zeoliten). c p air är den specifika värmekapaciteten för luft. Den effektiva värmekapaciteten hos det adsorberande materialet beskrivs enligt c sorb eff = c sorb +(C des *C H2O ). Energidensitet Energidensiteten är ofta relevant för jämförelser med andra lagringsmetoder och teori för att bestämma denna bör därför tas upp. Energidensiteten hos zeoliten vid tidigare nämnda fall kan definieras enligt följande: = = + Ekvation 2: Samband för energidensiteten hos zeoliten. (12) Där m sorb är massan för zeoliten (adsorbenten), V sorb dess volym och ρ sorb dess densitet. Energin vid kondensering kan beskrivas enligt följande samband: = Ekvation 3: Ekvation för kondensationsvärmen. (12) Där L(T) är förångningsvärmen från vattenångorna. Bindningsenergin kan bestämmas enligt följande samband: = + Ekvation 4: Uttrycket beskriver bindningsenergin hos absorbenten. (12) Där ( F + T S) representerar bindningsenergin enligt Duibinins teori (13). Figur 3 nedan åskådliggör hur de olika energierna är definierade. 4
Figur 3: Diagrammet beskriver värmen från adsorbation som funktion av vattenkoncentrationen hos zeoliten. (12) Termiska Värmefaktorn (COP th) Den termiska värmefaktorn kan definieras som kvoten mellan tillförd energi och uttagen energi. Följande uttryck kan därför ställas upp för den termiska värmefaktorn. = = = Ekvation 5: Den termiska Värmefaktorn som funktion av tillförd och uttagen energi. (14) Där den sensibla värmen Q sens behövs för att värma upp och torka zeoliten, och definieras enligt följande: = Ekvation 6: Den sensibla värmen som funktion av temperaturskillnaden hos zeoliten och dess effektiva värmekonstant. (12) 5
Systembetraktelse Zeoliter används i t.ex. solenergisystem som nyttjas både vid uppvärmning och för luftkonditionering i hus. Det finns många metoder att kyla med hjälp av solenergi men sorptions-kylningscykler är den enklaste och potentiellt mest effektiva metoden. (15) I sorptionkylningssystem mellan solid och gas sorberas gasen i soliden vid låg temperatur och desorberas vid hög temperatur. Många av solid-gas metoderna har nyligen (år 2001) börjat användas i samband med solenergisystem för kylning. I vanliga fall är totala verkningsgraden för ett kylande solsystem med litium-bromidvatten 10-15 %. Med zeoliter kan en verkningsgrad på 44 % uppnås, vilket är ca 3 gånger så högt. (15) Zeoliten i ett sol-kylningssystem är innesluten i en lufttät behållare som bestrålas av solen. Under dagen blir zeoliten och dess behållare upphettad till en maximal temperatur på 120 C. Vid 38 C börjar ånga desorbera från zeoliten och dess partiella tryck börjar stiga. När trycket når kondensatortryck, t.ex 6,89 kpa för 38 C, börjar ångan kondensera, värme avges till omgivningen och vattnet lagras i lagringstanken. Under natten kyls zeoliten genom konvektiv avkylning till omgivande temperatur och är sedan redo att adsorbera vattenånga. Vattnet i lagringstanken introduceras till förångaren, där det absorberar värme från utrymmet som ska kylas och övergår till ånga. Om trycket hålls vid 689 Pa, kommer vattnet i förångaren att koka vid 2 C. (15) Dag och nattcyklerna visas i Figur 4: Dag- och nattcykel för solsystemet. nedan. Figur 4: Dag- och nattcykel för solsystemet. (15) 6
Zeolitens funktion är att adsorbera vattenångan som produceras i förångaren, hålla trycket konstant samt att avge värmen från adsorptionen till omgivningen. (15) Kyla produceras således under nattetid och kan användas för produktion av is, för att frysa mat samt för luftkonditioneringssystem. Dessa populära användningsområden har högst efterfrågan under dagtid vilket gör att någon slags lagring av kylan krävs. (15) Det finns olika lagringsmetoder för detta men dessa kommer inte beskrivas noggrannare här. Det skulle behövas 1 ton zeolit, distribuerad över 18,6 m 2 för att producera 1 ton konditionerad luft. För ett vanligt hus med ett luftkonditioneringsbehov på 3,5 ton måste halva takytan täckas med zeolitpaneler. Kostnaden för investeringen kan tjänas in genom reduktion av energikostnader på endast 10-15 år, jämfört med 25-30 år som vanligen beräknas för sol-uppvärmda hem. (15) 7
Exempel på installationer Delat värme- kylsystem Ett termokemiskt lager med zeolit som adsorbent har installerats i München i Tyskland för uppvärmning av en skola på vintern och för att kyla ner en jazzklubb på sommaren. I detta fall sker desorption då systemet laddas och systemet urladdas således under adsorption. I ett öppet system bör endast icke giftiga adsorbenter användas och bör även återfinnas i atmosfären. Vattenånga är ett exempel på en sådan gas och således passande för detta ändamål. Man kan förvänta sig höga lagringskapaciteter på grund av att adsorbatet, det vill säga vattenångan, lagras i atmosfären efter desorption. Lagret är inte självförsörjande under adsorption. Systemet måste vara kopplat till atmosfären för att kunna återfå den avgivna vattenångan. Denna lagringsteknik kallas för termokemisk lagring. (16) Nedan i Figur 5 visas en schematisk bild på hur värmesystemet laddas och urladdas. Figur 5: Schematisk bild på hur det termokemiska systemet fungerar. (16) Lagringssystemet designades för att räcka till ett värmebehov på 95 kw under en period på 14 timmar under dagtid. Detta uppnåddes med hjälp av 7000 kg zeolit 13X i lagringstanken. Lagringssystemet kopplades till ett kombinerat luft/radiator/golvvärmesystem. Den maximala termiska effekten är 130 kw, lagringskapaciteten är 1300-1400 kwh vid 130 C laddningstemperatur. (16) Jämförelse av hur luftfuktigheten och temperaturen i jazzklubben varierade under en konsert gjordes med endast ventilation samt med uttorkande kylning (luftkonditionering) med hjälp av det termokemiska lagret. (16) 8
Figur 6: Temperatur och luftfuktighet som funktion av tiden. (16) Med endast ventilation stiger både luftfuktigheten och temperaturen under hela konserten och kommer upp i värden över gränserna för vad som är bekvämt. Med zeolitsystemet hålls dock temperaturen och luftfuktigheten inom rimliga gränser genom hela konserten. Detta visas i en graf i Figur 6 ovan. (16) Torksystem i diskmaskin Zeoliten har också använts i en ny typ av diskmaskin. Även här används ett öppet adsorptionssystem där vatten adsorberas, zeoliten verkar som adsorbent och luft fungerar som mass- och värmebärare vilket är ett system som kan användas för uppvärmning, kylning och termisk energilagring. I detta fall var målet att sänka energiåtgången för att driva en diskmaskin med hjälp av ett öppet adsorptionssystem. Den vanliga fasen med upphettningen av vattnet före torkning av disken har utelämnats och ersatts av en adsorptionsfas där disken istället torkas av het luft. (17) I en vanlig diskmaskin måste diskvattnet hettas upp två gånger, först i själva diskprocessen och sedan i torkprocessen. Nästan hela energiåtgången utgörs av dessa upphettningsfaser. Syftet med användningen av adsorptionsprocessen i diskmaskinen är att stödja torkningen i slutet av diskprocessen med hjälp av het luft från adsorptionsprocessen. I detta fall behövs endast en upphettning i diskprocessen. I Figur 7 nedan visas diskprocessen för en vanlig diskmaskin och i Figur 8 visas diskprocessen för diskmaskinen med adsorption. (17) 9
Figur 7: Diskprocess för vanlig diskmaskin. (17) Figur 8: Diskprocess för diskmaskin med adsorption. (17) 10
Denna nyutvecklade diskmaskin är kommersiellt tillgänglig sedan november 2009. Energiåtgången jämfört med en konventionell diskmaskin har reducerats från 1,05 kwh till 0.80 kwh per diskcykel vilket sänker energibehovet med ca 24 %. (17) Aspekter kring ekonomi, miljö och hållbarhet Ekonomi Det är dyrt med syntetiska zeoliter vilket gör att de ofta utesluts ur applikationer där naturlig zeolit kan användas. Omvänt så gör strängare produktionsspecifikationer att storskalig användning av naturliga zeoliter förhindras. (18) Priserna för naturliga zeoliter varierar dock kraftigt, mellan 30-900 dollar/ton, vilket medför att konkreta kostnadsberäkningar är svåra att genomföra. Materialet är fortfarande billigt jämfört med andra latenta värmelagringsmaterial. (5) Naturliga zeoliter är billiga att bryta och utvinna, till skillnad från syntetiska zeoliter som är betydligt dyrare. Jämförande studier mellan naturliga och syntetiska zeoliter har visat att vid temperaturer under 100 C så har de naturliga och syntetiska zeoliterna ungefär likvärdiga energilagringsegenskaper. Vid applikationer med temperaturer under 100 C kan naturliga zeoliter därför användas istället för syntetiska vilket kraftigt reducerar kostanden. Ett exempel på detta är konventionella solfångare. (6) Miljö och hållbarhetsaspekter En del av kampen mot miljöförstöring och klimatförändring är effektivare användning av de energisystem vi har. Energilagring spelar en nyckelroll när det kommer till att matcha energitillgången då energiefterfrågan är som högst, vilket leder till effektivare energiproduktion då anläggningar kan producera i jämnare nivåer. Zeoliter har visat sig vara ett miljövänligt alternativ inom många områden, bland annat som ersättning av fosfater i tvättmedel, som katalysatorer inom kemi (vilket sparar energi), för avgas- och vattenrening, inom medicin för att rensa kroppen från tungmetaller och inom jordbruket som fuktbalanserare i marken, vilket sänker vattenförbrukningen. (19) Som energilagringsmedium är det också fördelaktigt ur miljösynpunkt, då den kan använda vattenånga som adsorberat ämne, och zeoliten själv är inte giftig. Energilagret kan därför konstrueras som ett öppet system med mycket små inverkningar på den omgivande miljön, där adsorbatet hämtas från och lagras i omgivningen. (20) 11
Framtida potential och trender Zeoliter kan komma att användas mer och mer inom främst solvärmesystem, då råvaran är billig och mycket tillgänglig. Zeoliter kan även bli vanligare för reducering av energianvändning hos hushållsapplikationer, ett exempel på detta är den tidigare nämnda diskmaskinen som i dagsläget finns kommersiellt tillgänglig. Zeoliter är även ytterst lämpliga för appliceringar inom luftkonditionering, då fuktig luft ofta används som adsorbat. Stor potential för användning av zeolit existerar inom de områden som kräver energilagring med små förluster under mycket långa tidsperioder. Något som bör noteras är att zeoliter ej är lämpliga för system med snabba cykler, då materialet kan mattas ut och förlora en stor del av sin värmelagringsförmåga. Zeoliter kan även användas för att lagra andra ämnen än vatten, t.ex. koldioxid och vätgas, i nuläget arbetar NASA med att framställa nya sorters zeoliter på ISS, vars planerade användningsområde är att lagra vätgas till vätgasmotorer. Idén bygger på ett system där zeoliter används för att lagra vätgas, vilket medför att extremt låga temperaturer eller höga trycknivåer ej behöver utnyttjas för att hålla vätgasens i flytande form. (21) 12
Litteraturförteckning 1. Wikipedia. Zeolite. Wikipedia, the free encyclopedia. [Online] Mars 15, 2011. [Cited: Mars 15, 2011.] http://en.wikipedia.org/wiki/zeolite. 2. Dincer, Rosen. Thermal Energy Storage, 2:ed Edition. s.l. : Wiley, 2011, pp. 130-131. 3. Close, D., Dunkle, R. Adsorbent beds for energy-storage in drying of heating systems. Sol. Energy. s.l. : Sol. Energy, 1977, Vol. 19, 3, pp. 233 238. 4. Rhodes, Chris. Energy Balance - Zeolites and World Markets. Energy Balance. [Online] May 15, 2006. [Cited: Mars 15, 2011.] http://ergobalance.blogspot.com/2006/05/zeolites-and-worldmarkets.html. 5. Virta, Robert L. USGS Mineral Resources Prgram. [Online] Januari 2011. [Cited: Mars 18, 2011.] http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/zeolites/mcs-2011-zeoli.pdf. 6. Baoqi, Han, et al., et al. Utilization of natural zeolites for solar energy storage. Changchun : Jilin Agricultural University, 1994. 7. Dictionary, Webster's Online. Definition: X-ray crystallography. Webster's Online Dictionary. [Online] [Cited: Mars 17, 2011.] http://www.websters-dictionary-online.com/definitions/x- ray+crystallography?cx=partner-pub-0939450753529744%3av0qd01-tdlq&cof=forid%3a9&ie=utf- 8&q=X-ray+crystallography&sa=Search#906. 8. G. Storch, G. Reichenauer, F. Scheffler, A. Hauer. Hydrothermal stability of pelletized zeolite 13X for energy storage applications. s.l. : Springer Science+Buissness Media, 2008. p. 4. 9. Storch, G, et al., et al. Hydrothermal stability of pelletized zeolite 13X for eneregy storage applications. s.l. : Springer Science+Business Media, 2008. p. 1. 10. Hauer, Andreas. Sorption Theory for Thermal Energy Storage. [book auth.] Halime Ö. Paksoy. Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption. Amsterdam : Springer, 2005, p. 399. 11.. Sorption Theory for Thermal Energy Storage. [book auth.] Halime Ö. Paksoy. Thermal Energy storage for Sustainable Energy Consumption. Amsterdam : Springer, 2005, p. 403. 12.. Sorption Theory For Thermal Energy Storage. [book auth.] Halime Ö. Paksoy. Thermal Energy Storage for Sustainable Energy Consumption. Amsterdam : Springer, 2005, pp. 406-407. 13. Laevemann, E and Sizmann, R. Energy Storage in Open Cycle Desiccant Cooling Systems, Comparison of liquid and Solid Desiccants, In solid Sorption Refrigeration. Paris : International Institute of Refrigeration, 1992. pp. 270-275. 13
14. Hauer, Andreas. Sorption theory for Thermal Energy Storage. [book auth.] Halime Ö.Paksoy. Thermal Energy Storage for sustainable Energy Consumption. Amsterdam : Springer, 2005, p. 405. 15. D.I., Tchernev. Solar energy application of natural zeolites. Washington DC : Mineralogical soc America, 2001. ISSN: 1529-6466. 16. Heuer, Andreas. Thermal Energy Storage With Zeolite For Heating And Cooling Applications. Garching : s.n., 2002. 17. Heuer, Andreas and Fisher, Fabian. Open Adsorption System for an Energy Efficient Dishwasher. Garching : Wiley-Blackwell Publishing, 2010. ISSN: 0009-286X. 18. Virta, Robert. Mineral Resource of the Month. USGS Mineral Resource Program. [Online] mars 17, 2011. [Cited: maj 28, 2009.] http://minerals.usgs.gov/mineralofthemonth/zeolites.pdf. 19. Bell, R.G. Zeolites. British Zeolite Association - Promoting the Science of Nanoporous Materials. [Online] British Zeolite Association, Maj 2001. [Cited: Mars 16, 2011.] http://www.bza.org/zeolites.html. 20. Hauer, Andreas. THERMAL ENERGY STORAGE WITH ZEOLITE FOR HEATING AND COOLING APPLICATIONS. ZAE Bayern, Walther-Meissner-Str.6, : Center for Applied Energy Research, 2002. 21. Dr. Tony Phillips, Steve Price. Rocks in your Gas Tank - NASA Science. NASA. [Online] April 17, 2003. [Cited: Mars 15, 2011.] http://science.nasa.gov/science-news/science-atnasa/2003/17apr_zeolite/. 22. Thomson Reuters. Web of Science. [Online] 2010. [Cited: Mars 15, 2011.] http://apps.isiknowledge.com/wos_generalsearch_input.do?product=wos&search_mode=general Search&SID=Q22n67ccAgn7PIoGmFC&preferencesSaved=&highlighted_tab=WOS. 23. Baoqi, Han, et al., et al. Utilization of natural zeolites for solar energy storage. Changchun : Jilin Agricultural University, 1994. p. 2. 14