Kristallisatie energie
In de late jaren van de 19de eeuw was ijshandel een revolutionair middel. IJs kon niet zelf gemaakt worden en werd daarom uit bevroren vijvers of beken gesneden. Daarna met het netwerk van schepen, treinen of ijswagens verspreid. Met het ijs bleef vlees groente en fruit langer goed, ook groeide in de visindustrie significant. In Noorwegen exporteerde ze een 910 miljoen kg aan ijs elk jaar. Deze handel stortte in na de uitvinding van de koelkast, lees warmtepomp, die de noodzaak voor natuurlijke ijswinning elimineerde.
In ijshandel is er gehandeld in koude. IJs was simpelweg een opslagmedium. Warmte is dan ook een vorm van energie. Trillingen en rotaties van moleculen ervaren wij als temperatuur. Hoe meer trillingen hoe warmer het object. In een vaste fase zoals ijs hebben deze moleculen minder trillingen, en zijn ze gebonden in een kristalstructuur. De kristalstructuur van IJs is heel sterk, en het vraagt veel energie om de moleculen van elkaar los te maken (smelten), waarna ijs weer in water over gaat.
Faseovergangen zijn energierijke fenomenen. Faseovergangen doen zich voor als een materiaal voldoende afkoelt of opwarmt. Deze gebeuren bij een constante temperatuur, dit komt doordat warmte-energie niet gebruikt wordt om op te warmen of af te koelen, maar om een nieuwe ordening (structuur) aan te brengen. Bijvoorbeeld een kristalstructuur uit water bij bevriezing. Zodra de aantrekkingskracht tussen de watermoleculen overwonnen wordt door de energie (warmte), vind er een faseovergang plaats. Deze toegevoegde energie verhoogt de trillingen en rotaties van de watermoleculen, wat resulteert in de verandering van fase van vast naar vloeibaar.
Trendy termen voor materialen die energie op slaan in faseovergangen zijn phase Change Materials (PCM’s). PCM’s kunnen van alles zijn, zoals zouten, metalen maar dus ook water. In de faseovergang wordt de warmte-energie opgeslagen, die later weer gebruikt wordt.
Bij het smelten van ijs kan veel energie vrijkomen. Deze faseovergang heeft dan ook een enthalpie (dH) van +6,01 [KJ/mol]. Voor het smelten van 1 [m3] ijs komt er 83,5 [kwh] vrij. Dit komt overeen met de energie die nodig is om één kubieke meter water te verwarmen van 0 tot 75 graden Celsius.
De warmte die in een materiaal kan opgeslagen wordt warmtecapaciteit genoemd. In ijs kan per kubieke meter 1847 [KJ/K] worden opgeslagen. Dus per graden Celsius wordt er 1847 [KJ] opgeslagen. In water kan er ook energie worden opgeslagen dit komt neer op 3994 [KJ/m3 K].
Wat bijzonder is aan ijs is dat het een grote energiedichtheid heeft wanneer het smelt. Een kubieke meter van smeltend ijs slaat al 300567 [KJ] op. Vergelijk deze met een Li-ion batterij uit 2020 die een energiedichtheid heeft van 1.620.000 [KJ/m3] (afhankelijk van model en degradatie).
IJs heeft een hoge thermische weerstand . Dat betekent dat ijs niet makkelijk warmte doorlaat en dus ook een lage thermische geleiding heeft. De thermische geleiding is een eigenschap van het materiaal. De berekening voor de thermische weerstand wordt hieronder weergegeven.
1 Thermische weerstand tijdens conductie
Doordat ijs een hoge thermische weestand heeft kan het goed opgeslagen worden voor middellange periodes.
De ijsaccu is gebaseerd op faseovergang en is daardoor volledig herbruikbaar. Na het ontdooien kan hetzelfde water gebruikt worden om weer ijs te maken tijdens het bevriezen. Hierdoor is het veilig en milieu vriendelijk .
Daarentegen ondervindt een lithiumbatterij (Li-ion batterij) degradatie problemen. Deze problemen komen op door het ontladen en opladen van de batterij doordat hier chemische reacties zoals oxidatie (ontladen) en reductie (opladen) reacties gebruikt worden. Na deze reacties zou er op lange termijn kortsluiting kunnen komen in batterij. Ook is lithium super reactief met water en ontvlambaar wat het een gevaarlijke stof maakt. Onze ijsaccu heeft deze problemen niet.
Onze ijsaccu ontlaat doormiddel van conductie en convectie. De koude van het ijs wordt door conductie overgedragen aan een polyethyleen plaat. Langs deze plaat vloeit de luchtstroom. Polyethyleen is een robuuste, maar flexibele kunststof, bekend om zijn volledig recyclebare eigenschappen. De warmteoverdracht tussen ijs en polyethyleen kan beschreven worden met de Wet van Fourier.
2 Wet van Fourier
Hierin in is [W/m2] de koude stroom die van het ijs naar de polyethyleen plaat stroomt. Op zijn beurt geeft polyethyleen ook weer koude af aan de luchtstroom die uw product koelt. Dit gebeurt door geforceerde convectie, die newton heeft beschreven in de afkoelingswet.
3 Afkoelingwet van Newton
Hierin is q" [W/m2] de koude stroom die luchtstroom verkoelt.
​
De energie van de ijsaccu kan worden vergeleken met de accu van een auto. Een auto accu van een volledige elektrische auto kan in 2020 450 [kwh/m3] elektrische energie leveren. Waarbij het smelten van ijs 83,5 [kwh/m3] warmte-energie.
De efficiëntie om elektrische energie om te zetten naar warmte-energie ligt erg hoog. De COP is 4 tot 5. Dat betekent dat 1 kWh elektrisch gelijkstaat aan ongeveer 4 kWh thermisch vermogen. Dit heeft nadelige gevolgen voor opslag in warmte of koude batterijen aangezien zij energie opslaan in warmte en koude, en dus 4 tot 5 keer meer thermische energie moeten op slaan voor vergelijkbare elektrische energie opname.
Daartegen over staan enorme voordelen, zoals goedkoop opslagmedium (water), en nagenoeg geen degradatie van de batterij. Hiermee wordt energieopslag daadwerkelijk duurzaam en betaalbaar.