Väitös, energiatekniikka, DI Aleksi Barsk

Väitöskirjan nimi: Microencapsulation of calcium chloride into hydrophobic nanosilica capsules for seasonal thermochemical energy storage   

Väittelijä: Aleksi Barsk
Vastaväittäjä: Prof. Michael Steiger, University of Hamburg, Hamburg
Kustos: Prof. Annukka Santasalo-Aarnio, Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu 

Suomessa aurinkolämpöä on saatavilla lähinnä kesällä, mutta rakennukset tarvitsevat lämpöä pääasiassa talvella. Lämmön varastointi kuukausien ajaksi on haastavaa: lämminvesivarastot menettävät lämpöään ajan myötä ja vievät paljon tilaa. Lämmön varastointi suolan ja veden väliseen kemialliseen sidokseen on lupaava vaihtoehto. Kalsiumkloridi vapauttaa runsaasti lämpöä sitoessaan ilman kosteutta. Sen voi ”ladata” uudelleen kuivaamalla sen aurinkolämmöllä. Suljetussa säiliössä kuivana pidettynä se säilyttää varastoimansa energian kuukausia lähes ilman häviöitä. Kalsiumkloridia on lisäksi helposti saatavilla edulliseen hintaan.

Kalsiumkloridi kuitenkin liukenee helposti sitomaansa veteen. Jauhe muuttuu nesteeksi, paakkuuntuu ja lakkaa toimimasta reaktiopinta-alan menetyksen seurauksena. Ongelmaa on aiemmin pyritty ratkaisemaan sijoittamalla suola huokoisiin tukimateriaaleihin tai kapseleihin. Tällaiset komposiitit vievät kuitenkin niin paljon tilaa, että niiden energiatiheys on jäänyt liian pieneksi käytännön kausivarastointiin.

Väitöskirjassa esitellään uusi menetelmä, jolla kalsiumkloridi kapseloidaan vettä hylkivien, silikananopartikkeleista muodostuvien kuorten sisään. Väkevää suolaliuosta ja silikapartikkeleita sekoitetaan voimakkaasti, minkä jälkeen seosta vielä ravistetaan. Tuloksena on hienojakoista, pienistä nestekapseleista koostuvaa jauhemaista materiaalia. Kapselointiin riittää vain yksi prosentti silikaa. Vesihöyry pääsee huokoisen silikakuoren läpi, mutta suolaliuos pysyy sisällä, joten kapselit eivät tartu toisiinsa, vaikka suola liukenisi kokonaan.

Tutkimuksessa havaittiin myös aiemmin raportoimaton ilma-nesterakenne, joka muodostuu kapseleiden valmistuksen aikana. Lisäksi osoitettiin, että pienten kalsiumkloridipartikkelien veden sitoutumisprosessi on osin sattumanvarainen. Tämä selittää aiempien tutkimusten ristiriitaisia tuloksia.

Rakennusten lämmitykseen soveltuvissa olosuhteissa kapseleiden arvioidaan varastoivan yli 1,5 gigajoulea lämpöä kuutiometriä kohden, mikä on selvästi enemmän kuin aiemmissa tutkimuksissa kehitetyillä materiaaleilla. Nykyaikaisessa omakotitalossa koko talven lämmöntarpeen varastoiminen kapseleihin voisi siten vaatia noin kymmenesosan talon lattiapinta-alasta.

Kapseleita on toistaiseksi testattu vain milligrammakokoluokan näytteillä laboratoriossa. Jatkotutkimusta tarvitaan valmistuksen skaalaamiseksi, kapseleiden heikon lämmönjohtavuuden parantamiseksi sekä kokonaisen varastojärjestelmän toimivuuden osoittamiseksi. Materiaalitasolla saavutettu korkea energiatiheys vie kuitenkin askeleen lähemmäs rakennusten ympärivuotista aurinkolämmitystä. 
Avainsanat: termokemiallinen lämpövarasto,  mikrokapselointi, kalsiumkloridi, faasi-inversio, vesihöyryn absorptio, silika

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.

Yhteystiedot:
Aleksi Barsk, aleksi.barsk@aalto.fi