Materiály s přeměnou fáze spoří energii

Slunce právě vychází a budova kampusu univerzity v Seattlu začne v každém okamžiku tát. Nejde o chybu v projektu. Uvnitř panelů stěn je totiž gel, který tuhne v noci a s nástupem dne se taví. Jedná se o materiál s fázovou přeměnou – PCM (Phase Exchange Material). Jde o gel, který pomůže snížit množství energie nutné k ochlazování kancelářských místností v sídle oddělení molekulárního inženýrství.

K chlazení se již tisíce let používá led, materiál tající při teplotě 0 stupňů Celsia. Pokrok vědy o materiálech i rostoucí náklady na energii nyní podporují zájem o výzkum materiálů PCM; ty fungují při různých teplotách a umožňují udržet optimálně teplo i chlad a popř. i skladovat energii.

Šetřílci energie

Materiály s fázovou přeměnou jsou atraktivní „šetřílci“ energie díky své schopnosti absorbovat nebo uvolňovat velké množství energie, přičemž setrvávají blízko konstantní teploty. Jan Kosny z Fraunhofer Centre for Sustainable Energy Systems in Cambridge, Mass., uvádí, že roztavit led lze stejným množstvím energie, jaké je nutné k ohřátí stejného množství vody o 82 stupňů Celsia.

Kosny začal zkoumat potenciál PMC materiálů již před třiceti lety. Zaměřil se přitom na včelí vosk jako na prostředek skladování slunečního tepla. Důvod, proč jsou materiály s fázovou přeměnou tak užitečné, spočívá v tom, že k narušení molekulárních vazeb mezi atomy je nutná energie, při které materiál taje. Když se vazby opět formují – když materiál tuhne – se energie naopak uvolňuje.

Jak to bude fungovat
Biologický materiál PCM v univerzitní budově na bázi rostlinných olejů se bude nabíjet každou noc, kdy při automaticky otevřených oknech do budovy vnikne chladný venkovní vzduch. Tuhý gel potom bude druhý den při tání absorbovat teplo. Biofázová vrstva materiálu je pouze 1,25 cm tlustá, nahradí však betonovou stěnu tlustou 25 cm. Podle zprávy technologické výzkumné firmy Lux Research dosáhne prodej PCM materiálů do roku 2020 hodnoty až 130 milionů dolarů za rok.

Další aplikace

Ve světě se již objevují i jiné aplikace materiálů s fázovou přeměnou. Britská firma Star Refrigeration například používá oxid uhličitý, který mění kapalnou fázi v plynnou při velmi nízké teplotě, k ochlazování datových center. Ve srovnání s nyní používaným systémem chlazení vodou získala společnost z počítačů čerpáním CO₂ přes tepelné výměníky téměř dvakrát tolik tepla.

V západní Číně pomáhají materiály PCM získané z jačího másla a rostlinných olejů chovatelům jaků udržet se v teple. Materiál je jako součástí umělé hmoty následně vetkán do tradičního oděvu. Měkne, když pastevci ženou stáda do horských pastvin. Když se zastaví a hlídají svá stáda, zadržované teplo se pomalu uvolňuje a pastevce zahřívá. V rámci pilotního projektu tyto materiály nyní používá ve více než sto rodinách, kde nahradily současný způsob ohřívání přikrývek pomocí kamínek na přípravu jídla.

Používání nových PCM materiálů přispělo k podstatné úspoře paliva. Kromě toho poslouží i rozvoji využití sluneční energie. Dnešní systémy koncentrující sluneční energii vyžadují ke skladování energie tekutou sůl. Ta sice umožňuje produkovat elektřinu i v době, kdy slunce nesvítí, ale vyžadují velké množství kapaliny a velká dobře izolovaná skladovací zařízení. Německý výrobce SGL Carbon tvrdí, že díky používání chemikálií se změnou fáze by bylo možné snížit množství materiálů potřebných ke skladování energie až o dvě třetiny.

(Podle: Phil McKenna: Melt buildings to save fuel. New Scientist, 2012, č. 2846, s. 17-18)

Překlad: