Magazynowanie energii na potrzeby

ogrzewania/chłodzenia

przykłady rozwiązań

2002 - 2012 dr hab. inż. Brunon J. Grochal, prof. IMP PAN / prof. WSG ,Prezes P.S.P.C.

Instytut Maszyn Przepływowych PAN

mgr inż. Tomasz Mania – NEXUM / V-prezes P.S.P.C.

doktorant Politechniki Gdańskiej / IMP PAN

Plan prezentacji

1. Wstęp

2. Rodzaje magazynów energii na potrzeby ogrzewania/chłodzenia

3. Budowa i konstrukcje magazynów energii - ciepła/chłodu

4. Przykłady instalacji z pompami ciepła współpracujących z magazynami ciepła/chłodu

5. Podsumowanie

PROBLEMY DO ROZWIĄZANIA PRZY MAGAZYNOWANIU WYTWORZONEJ ENERGII CIEPŁA/CHŁODU :

- Konieczność akumulacji energii w postaci ciepła i chłodu - Sposoby akumulacji ciepła/chłodu

- Magazynowanie ciepła w budownictwie - Wpływ pojemności cieplnej na efektywność energetyczną - Sposoby wkomponowania magazynów energii w strukturę budynku Przykładowe układy rozwiązań są pokazane poniżej.

Wstęp W energetyce na skalę techniczną opanowane jest magazynowanie ciepła. W rocznym cyklu pracy systemu magazynowania energii można wyróżnić dwie zasadnicze fazy: - akumulowanie energii (ładowanie magazynu) - odzyskiwanie energii (rozładowanie magazynu)

Największy piec znajdował się pod Wielkim Refektarzem. Składał się z dolnej, przesklepionej komory paleniska, nad którą leżała komora akumulacyjna (ok. 6 m3) wypełniona do połowy swej wysokości kamieniami.

Od wieków próbujemy zakumulować ciepło

Zamek w Malborku - przykład - ogrzewanie podłogowe z akumulacją ciepła

Magazyny energii TES - Thermal Energy Storage - rodzaje STES - Seasonal Thermal Energy Storage

Cavity thermal energy storage ( CTES)

Wariant magazynu TTES (Tank Thermal Energy StorgeTES)

Wariant PTES (Pit Thermal Energy Storge)

Wariant BTES (Borehole Thermal Energy Storge)

Grunt to dobre dolne źródło ciepła – oraz magazyn ciepła/chłodu

- 140 m sondy pionowe

- Magazyn o pojemności 1 000 000 m3

- zmiana temperatury o 1 st. K wymaga pobrania lub dostarczenia energii w ilość 600 MWh

BTES in ITT Flygt Emmaboda, Szwecja (fabryka pomp)

Wykorzystanie energii odpadowej, głównie z odlewni,

System wykorzystuje również naturalne źródła energii (woda z rzeki, powietrze, akumulacja śniegu)

BTES system niskotemperaturowy 0-20C,

pompy ciepła – ogrzewanie + chłodzenie

energia wody z rzeki wykorzystywana do stabilizacji

temperatury złoża (pod koniec sezonu letniego)

40 odwiertów, 200 m głębokości

Potencjał: 1500 MWh (ogrzewanie),

800 MWh (chłodzenie),

zużycie energii elektrycznej 1/10

BTES wysokotemperaturowy 90-50C,

ciepło odpadowe z procesu technologicznego,

odwierty 100-150 m, akumulacja 5000 MWh energii,

sprawność wykorzystania 70-80% (szacunki)

ENERGY PILE PALE ENERGETYCZNE

KONSTRUKCJA BUDYNKU SYSTEM OGRZEWANIA SYSTEM CHŁODZENIA

Wymiennik ciepła konstrukcyjne wkomponowany w rdzeń pala energetycznego

http://www.gogeothermal.co.uk/category.asp?c=8

Pale energetyczne – wykorzystanie konstrukcji posadowienia budynku jako układu magazynowania energii ciepła i chłodu

Możliwości techniczne posadowienia pali energetycznch Przykłady głowic technicznych

http://www.franki-geotechnics.be/Referenties/Piles/Referenties-energiepaal.aspx

Wariant BTES – Bloki energetyczne wbijane w grunt

Stosowanie tego rodzaju zaawansowanych technologii ogrzewania, przygotowania ciepłej wody i chłodzenia jest możliwe tylko przy wykorzystaniu POMP CIEPŁA !!!

http://www.xn--energiepfhle-ocb.com/engl/energiepfahl.html

Konstrukcja pali energetycznych

Wspomaganie komputerowe programami do symulacji pracy magazynów energii ciepła i chłodu Analizy numeryczne oraz symulacja okresowa pracy magazynów ciepła i chłodu

Drogi , mosty, tunele jako aktywne systemy magazyn energii

http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/130115.pdf

http://www.vdzement.de/fileadmin/gruppen/bdz/1Presse_Veranstaltung/Vortrag_Wittig.pdf

Zastosowanie systemów przeciwoblodzeniowych na peronach kolejki podmiejskiej w HARZ w Niemczech 2005 r. z wykorzystaniem magazynu energii typu ATES oraz BTES

Projekt pilotażowy

21

Budowa, automatyzacja i uruchomienie instalacji akumulatora ciepła w Elektrociepłowni Białystok

http://www.cire.pl/pliki/2/bialostocki_akumulator.pdf

Bezpieczniej z akumulatorem ciepła –konkretne rozwiązanie

Ilość energii, jaką można w nim zgromadzić, to 1 600 MWh. Energia ta wystarczy do jednoczesnego ogrzania około 25 000 mieszkań w Warszawie przez całą dobę. Inwestycja kosztowała ok. 50 mln zł.

Zalety takich rozwiązań : -zmniejszenie nierównomierności obciążenia bloku , -zwiększenie stopnia skojarzenia, -zwiększenie stopnia elastyczności i sprawności , -wzrost produkcji energii elektrycznej w porach przy wyższej cenie energii elektrycznej, -możliwość wyeliminowania pracy w pseudokondensacji w okresie letnim, -możliwość wyeliminowania pracy kotłów szczytowych w okresach przejściowych, -zapewnienie dostawy ciepła w przypadku awarii bloku, zapewnienie dłuższej żywotności pracujących urządzeń i zmniejszenie ich awaryjności poprzez zapewnienie stałego (niezmiennego) obciążenia urządzeń.

http://www.elektroinzynieria.pl/artykuly/bezpieczniej-z-akumulatorem-ciepla-37136-6

Dane techniczne: Pojemność – 30 400 m3 (to ponad 40 milionów termosów o pojemności 0,75 l) Wysokość zbiornika – 47 m Średnica zbiornika – 30 m Pojemność cieplna – 1 600 MWh Moc cieplna – 300 MWt Grubość izolacji – 500 mm Prędkość ładowania / rozładowania – 4 500 t/h Temperatura wody sieciowej – 40-99°C Typ zbiornika – bezciśnieniowy Zabezpieczenie antykorozyjne – poduszka parowa.

Akumulator – wyrównuje pracę sieci ciepłowniczej Polskie wykonanie skandynawskie wzorce

Po sześciu latach planowania i budowy uruchomiono w marcu br. w Hamburgu niezwyczajną instalację solarną. Uroczystość otwarcia odbyła się w ramach Międzynarodowej Wystawy Budowlanej IBA. Już samo miejsce montażu wyróżnia tę inwestycję. Na dachu i południowej ścianie starego betonowego bunkra umieszczono 1350 m2 kolektorów próżniowo-rurowych CPC. To największe pole kolektorów tej konstrukcji w Niemczech. Jego zadaniem jest zaopatrywanie w odnawialną energię ok. 4000 gospodarstw domowych w jednej z dzielnic Hamburga. Kolektory nie są jedynym źródłem energii w tej instalacji. Równolegle przyłączone są dwa bloki energetyczne na biomasę oraz gromadzone jest ciepło odpadowe z pobliskiej firmy. Żeby pogodzić proces wytwarzania i spożytkowania energii, wyposażono Energetyczny Bunkier w bufor grzewczy o pojemności 2 000 000 litrów wody. Budowla zajmuje ok. 120 hektarów, a w swoim czasie mogła dać ochronę nawet 30000 osób.

Efekt ekologiczny to między innymi ograniczenie emisji CO2 o 150 ton rocznie, które w przypadku tradycyjnej technologii znalazły by się w atmosferze. Co więcej, energia słoneczna jest szczególnie użyteczna w zasilaniu sieci miejskiej, ponieważ łatwo jest uzyskać żądane temperatury pracy około 95 stopni C.

http://inhabitat.com/hamburg-to-convert-a-wwii-flak-bunker-into-a-renewable-energy-bunker/energieprojekte-iba-hamburg/

Racjonalne wykorzystanie konstrukcji bunkra jak magazynu energii TTES

Centrum - Oostelijke Handelskade – Holandia - wytwarzanie oraz dystrybucja ciepła i chłodu powiązana z efektywnością energetyczną - mniej więcej 55% zaoszczędzonego paliwa (nieodnawialnych kopalnin) - Powierzchnia budynku : 128 000 m2 ( biuro, sklepy, mieszkania ) - Moc grzewcza systemu : 8,2 MW - Moc chłodnicza systemu : 8,3 MW - Niezależny system pomp ciepła do ogrzewania/chłodzenia w połączeniu z magazynem energii typu ATES w gruncie oraz wykorzystaniem kanału żeglugowego jak dodatkowego źródła energii

W formacjach wodonośnych; (ATES, aqufier thermal energy storage),

Dwie oddzielne warstwy wodonośne: Górna: magazyn chłodu 5-19°C, źródło chłodu – powietrze + pompa ciepła (w okresie zimowym) Dolna (głębokość ok. 320 m): magazyn ciepła 70 °C. Odległość między studniami 300 m, wydatek wody 100 m3/h

Potrzeby energetyczne budynku: Energia elektryczna: 8600 kW; 9500 MWh/a Ciepło: 12500 kW; 16000 MWh/a Chłód: 6200 kW; 2800 MWh/a

Największy na świecie magazyn energii - warstwa wodonośna wraz ze złożem kamiennym, która magazynuje energię do chłodzenia pomieszczeń jak i

ogrzewania Lotnisko Arlanda w Sztokholmie

Magazyn ciepła i chłodu daje roczne oszczędności w zużyciu energii elektrycznej w stosunku do tradycyjnych rozwiązań na poziomie: - 4 GWh/rok energii elektrycznej na potrzeby chłodzenia, 15 GWh/rok energii cieplnej na potrzeby ogrzewania. Zaoszczędzono więc około 19 GW energii elektrycznej w skali roku , co odpowiada energii zużywanej przez 2000 domów jednorodzinnych.

Magazyn ciepła w budynku jednorodzinnym

Zintegrowany system dla domów niezależnych energetycznie- zbiornik akumulacyjny połączony z baterią słoneczną, małą elektrownią wiatrową jest w stanie przy odpowiednim doborze pokrywa 80-100% potrzebnej energii w twoim domu. Od dwóch lat nasza firma zajmuje się produkcją dużych, zewnętrznych (naziemnych i podziemnych) akumulatorów ciepła w pojemnościach od 2000 do 30000 litrów. Akumulatory te umożliwiają gromadzenie letnich nadwyżek energii solarnej, która później zostanie oddana do ciepłej wody lub ogrzewania niskotemperaturowego- ścienno podłogowego o parametrze na zasilaniu nie przekraczającym 22-28 stopni Celsjusza. W niedalekiej przyszłości tego typu rozwiązania przejmą całkowite pokrycie energii w budownictwie jednorodzinnym i nie tylko.

Krótkoterminowy magazyn energii ciepła / chłodu

https://ssl.webpack.de/ratiotherm.de/fileadmin/daten/flash_ani/100108_oskar_groesser_grau.swf

Nowoczesne rozwiązania w budownictwie jednorodzinnym – z wodnym magazynem energii ciepła umieszczonym w centralnym punkcie budynku

Pierwszy ogrzewany most z magazynem energii – Lubeck Niemcy- 2011

Przykład CTES (Cavity Thermal Energy Storage) Lyckebo project in Uppsala, Sweden

Seasonal storage for a district heating system with solar collectors. The underground excavation has a volume of 100 000 m3.

The system is designed to supply 550 families with space heating and domestic hot water from a solar collector installation with an area of 4320

m2. The water in the cavern is inserted and extracted by two telescopic pipes, and this helps to ensure a very good temperature stratification

with top and bottom temperatures of 90C and 40C respectively.

Magazynowanie chłodu – historia

Wycinanie bloków lodowych jak wsad do magazynów chłodu

Sezonowy magazyn chłodu na rzece Hudson

Porównanie możliwości energetycznych lodowego TES w stosunku do wodnego TES

Przykłady magazynowania chłodu pod postacią bloków lodu, śniegu

1 2

3 4

1.Magazyn w budynku 2.Magazyn z warstwą izolacyjną 3.Magazyn z warstwą izolacyjną i zagłębiony w gruncie 4.Magazyn pod ziemią

snow storage (Sundsvall Hospital)

Centrum Badawcze PAN w Jabłonnej nowoczesne podejście do interdyscyplinarnego projektowania budynków- budynek plus energetyczny

Skwantyfikowanie informacji – dolne źródło

70 kW moc chłodnicza p.c. 2300 m odwiertu

100 kW - moc magazynu

260 GJ -ilość energii cieplnej

1500 m2 pow. 2500 m odwiertu

100 m3 2 zbiorniki 50 m3

Ciepło + chłód

Dolne źródło Dolne źródło pompy ciepła

Sondy pionowe

Magazyn energii Cieplnej typu BTES

Przypowierzchniowe Podgrzewanie gruntu (parking+chodniki)

Magazynowanie energii zbiorniki typu TTES

Płot energetyczny

Sonda CO2 Sonda spiralna

Pale energetyczne Zbiornik lodowy

Sonda otwarta

Sonda pionowe zamknięte

"Zeroemisyjny" biurowiec w Hiszpanii – przykład rozwiązań zbliżony do CB PAN w Jabłonnie

Budynek firmy Acciona Solar o całkowitej powierzchni użytkowej 3400 m2 (powierzchnia zabudowy 881 m2) rocznie zużywa 28 kWh/m2 energii (budynek tradycyjny – 247 kWh/m2). Radykalne zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło było możliwe dzięki zastosowaniu starannie dobranych materiałów budowlanych oraz zwartej bryły budynku.

Podsumowanie przeglądu rozwiązań technicznych

MAGAZYNÓW ENERGII CIEPŁA/CHŁODU – wady /zalety - zwiększone koszty inwestycyjne, - efektywniejsze wykorzystanie energii ciepła / chłodu, - rosnące ceny energii przekładają się na szybszą stopę zwrotu budowanych magazynów energii oraz inwestycji z nimi związane - brak świadomości technicznej i energetycznej wśród inwestorów i wykonawców, - brak wytycznych branżowych oraz ujednoliconych przepisów wykonawczych,

CZY MUSIMY BYĆ NA TO SKAZANI ?

Dziękujemy za uwagę WYBÓR NALEŻY DO NAS

POLSKIE STOWARZYSZENIE POMP CIEPŁA www.pompaciepla.org.pl