ENERGY GENERATION, ELECTRIC ENGINEERING AND ELECTROMECHANICS

Prospects for the Application of Thermal Energy Storage Systems Based on Phase Change Materials in Ukraine

Authors

R. I. Korniienko
National University "Yuri Kondratyuk Poltava Polytechnic" ROR
B. A. Kutnyi1
National University “Yuri Kondratyuk Poltava Polytechnic”
DOI https://doi.org/10.31649/1997-9266-2025-181-4-76-84

Keywords

thermal energy thermal energy storage (TES) phase change materials (PCMs) crystalline hydrates sodium acetate trihydrate heat accumulation environmental energy efficiency CO₂ emissions

Abstract

The article presents a comprehensive analysis of the feasibility of implementing thermal energy storage (TES) systems based on phase change materials (PCMs) in the context of post-war recovery of Ukraine's energy sector. It is established that large-scale destruction of centralized electricity infrastructure has created an objective need to develop decentralized energy sources, including cogeneration units and renewable energy systems (RES). Ensuring the effective operation of such systems requires the implementation of flexible technologies for balancing energy consumption and generation. Particular attention is paid to the global increase in energy demand and the corresponding growth in CO₂ emissions, which reached 37 Gt in 2023. Although Ukraine's contribution to global emissions remains relatively small, the modernization of its energy system necessitates a transition to more sustainable and safe solutions. The article provides the overview of the main methods of heat accumulation—sensible heat, latent heat of phase transition, and thermochemical reactions. The advantages of PCMs, which offer high energy storage density, are emphasized. The thermal properties of crystalline hydrates, particularly sodium acetate trihydrate, are analyzed due to their suitability for domestic heating systems. Practical limitations such as supercooling, phase separation, and low cycling stability are also examined. Examples of commercial PCM-based systems implemented in Germany, Japan, Poland, and Ukraine are presented. It is substantiated that PCMs represent a key component of a sustainable, energy-efficient, and environmentally safe decentralized energy system for Ukraine.

269 110

How to Cite

[1]
“Prospects for the Application of Thermal Energy Storage Systems Based on Phase Change Materials in Ukraine”, Вісник ВПІ, no. 4, pp. 76–84, Aug. 2025, doi: 10.31649/1997-9266-2025-181-4-76-84.

Author Biographies

R. I. Korniienko, National University "Yuri Kondratyuk Poltava Polytechnic"

Post-Graduate Student of the Chair of Applied Ecology and Environmental Management

B. A. Kutnyi1, National University “Yuri Kondratyuk Poltava Polytechnic”

Dr. Sc. (Eng.), Professor, Professor of the Chair of Heat and Gas Supply, Ventilation and Heat Power Engineering

References

Empowering Ukraine Through a Decentralised Electricity System, International Energy Agency. Paris: IEA, 2023, 44 с. [Electronic resource]. Available: https://www.iea.org/reports/empowering-ukraine-through-a-decentralised-electricity-system. Accessed: 13.06.2025.
Міністерство економіки України, Національний план з енергетики та клімату на період до 2030 року. Київ, 2023, 218 с. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://me.gov.ua/Documents/Detail?lang=uk-UA&id=17f558a7-b4b4-42ca-b662-2811f42d4a33&title=NatsionalniiPlanZEnergetikiTaKlimatuNaPeriodDo2030-Roku. Дата звернення: 13.06.2025.
Міністерство енергетики України, Енергетична стратегія України до 2050 року . Київ, 2021. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://www.mev.gov.ua/reforma/enerhetychna-stratehiya-0 . Дата звернення: 13.06.2025.
Енергетична незалежність та Зелений Курс. [Електронний ресурс]. Режим доступу:
https://recovery.gov.ua/project/program/energy-independence-and-green-deal/ . Дата звернення: 10.06.2025.
В. О. Ходаківський, і Д. С. Карпенко, «Оцінювання рівня ефективності впровадження когенерації в умовах модернізації та резервування системи теплопостачання,» Енергетика: економіка, технології, екологія, № 2, с. 12-19, 2025. https://doi.org/10.20535/1813-5420.2.2025.327134 .
Global primary energy consumption, 1800–2022, in Our World in Data. [Electronic resource]. Available: https://ourworldindata.org/grapher/global-primary-energy?time=earliest..2022. Accessed: 10.06.2025.
Annual CO₂ emissions per country (Ukraine, Europe, World), in Our World in Data. [Electronic resource]. Available: https://ourworldindata.org/grapher/annual-co2-emissions-per-country?country=UKR~OWID_EUR~OWID_WRL . Accessed: 10.06.2025.
Thermal Energy Storage. Technology Brief E17, in International Renewable Energy Agency (IRENA), Energy Technology Systems Analysis Programme (ETSAP). Paris: International Energy Agency, 2013, 20 с. [Electronic resource]. Available: https://www.irena.org/publications . Accessed: 13.06.2025.
І. В. Коц, О. Д. Панкевич, і О. В. Бадяка, «Напрямки покращення основних характеристик теплових акумуляторів та теплоакумуляційних матеріалів,» Енергозбереження в будівництві, № 2, с. 159-166, 2023. https://doi.org/10.31649/2311-1429-2023-2-159-166 .
К. Попюк, «Атомістичне моделювання теплового транспорту в матеріалах з фазовим переходом.» кваліфікаційна робота бакалавра. Київ. нац. ун-т ім. Т. Шевченка, фіз. ф-т, каф. фізики металів. Київ, 2024, 48 с.
M. N. I. Maruf, G. Morales-España, J. Sijm, N. Helistö, and J. Kiviluoma, “Classification, potential role, and modeling of power-to-heat and thermal energy storage in energy systems. A review,” Journal of Cleaner Production, vol. 370, no. 133515, 2022. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133515 .
X. Gong, F. Li, B. Sun, and D. Liu, “Collaborative Optimization of Multi-Energy Complementary CCHP Systems Considering Schedulable Loads,” Energies. vol. 13, no. 4. pp. 918, 2020. https://doi.org/10.3390/en13040918 .
H. Liu, Y. Su, K. Cai, and Y. Mo, “Low carbon dispatch optimization of wind solar thermal storage multi energy system based on stochastic chance constraints and carbon trading mechanism,” International Journal of Renewable Energy Development, vol. 14, no. 2. pp. 233-244, 2025. https://doi.org/10.61435/ijred.2025.60669 .
Акумулятор тепла, Вікіпедія: вільна енциклопедія. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/wiki/Акумулятор_тепла. Дата звернення: 11.06.2025.
Державні будівельні норми України, ДБН В.2.5-67:2013. Опалення, вентиляція та кондиціювання, чинний з 01.01.2014. Київ : Мінрегіон України, 2013. 270 с. [Електронний ресурс]: Режим доступу:
https://dbn.co.ua/load/normativy/dbn/1-1-0-1018. Дата звернення: 22.06.2025.
Seasonal thermal energy storage, in Wikipedia: the free encyclopedia. [Electronic resource]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Seasonal_thermal_energy_storage. Accessed: 22.06.2025.
I. Sarbu, and C. Sebarchievici, “A comprehensive review of thermal energy storage” Sustainability. vol. 10, no. 1. pp. 191, 2018. https://doi.org/10.3390/su10010191 .
A. Sharma, V. V. Tyagi, C. R. Chen, and D. Buddhi, “Review on thermal energy storage with phase change materials and applications,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 13. pp. 318-345, 2009.
H. Yang, Y. Zou, and H. Cui, “Advancements and challenges in enhancing salt hydrate phase change materials for building energy storage: Optimization methodologies and mechanisms,” National Science Open, vol. 3, no. NSO20230056. 2024. [Electronic resource]. Available: https://www.nso-journal.org/articles/nso/pdf/2024/03/NSO20230056.pdf . Accessed: 22.06.2025.
G. Wang, C. Xu, W. Kong, G. Englmair, J. Fan, G. Wei, and S. Furbo, “Review on sodium acetate trihydrate in flexible thermal energy storages: Properties, challenges and applications,” Journal of Energy Storage, vol. 40, pp. 102780. 2021https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102780 .
A. Alvaro de Gracia, and C. F. Cabeza, “A Phase change materials and thermal energy storage for buildings,” Energy and Building, vol. 103, pp. 414-419, 2015. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.06 .
Q. Al-Yasiri, and M. Szabó, “Paraffin as a phase change material to improve building performance: an overview of applications and thermal conductivity enhancement techniques,” Renewable Energy and Environmental Sustainability, vol. 6, no. 38, 2021. https://doi.org/10.1051/rees/2021040 . [Electronic resource]. Available: https://www.rees-journal.org/articles/rees/abs/2021/01/rees210036/rees210036.html . Accessed: 30.06.2025.
G. Yang, Y.-J. Yim, J. W. Lee, Y.-J. Heo, and S.-J. Park, “Carbon-Filled Organic Phase-Change Materials for Thermal Energy Storage. A Review,” Molecules. vol. 24, no. 11, Art. 2055, 2019. ISSN 1420-3049. https://doi.org/10.3390/molecules24112055. [Electronic resource]. Available: https://www.mdpi.com/1420-3049/24/11/2055. Accessed: 30.06.2025.
С. В. Будлянський, А. Ф. Редько, і Ю. І. Чайка. Порівняння теплоакумулюючих матеріалів з фазовим переходом для систем сонячного теплопостачання. 2014. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://eprints.kname.edu.ua/38329/ . Дата звернення: 05.02.2025.
Дописувачі Вікіпедії, «Мобільні теплові акумулятори,» Вікіпедія: вільна енциклопедія. Оновлено: 14.07.2024. [Електронний ресурс] Режим доступу: https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Мобільні_теплові_акумулятори&oldid=43048508 . Дата звернення: 01.07.2025.
В. Г. Демченко, В. Ю. Фалько, і С. С. Гронь, «Мобільні акумулятори для дискретних систем теплохолодопостачання. Частина 1,» Теплофізика і теплоенергетика, № 40 (2), с. 20-26, 2018.
В. Г. Демченко, А. С. Трубачов, В. Ю. Фалько, і С. С. Гронь, «Мобільні акумулятори для дискретних систем теплохолодопостачання. Частина 2,» Теплофізика і теплоенергетика, № 40( 3), с. 57-69, 2018.
Enetech sp. z o.o., Official Website of the Company. — Kraków, Польща : Enetech, 2025. [Electronic resource]. Available: https://enetech.com.pl/ . Accessed: 01.07.2025.