Magazynowanie ciepła. Wyzwanie czy konieczność w procesie eksploatacji nowoczesnych systemów ciepłowniczych? Dr inż. Małgorzata Kwestarz

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Magazynowanie ciepła. Wyzwanie czy konieczność w procesie eksploatacji nowoczesnych systemów ciepłowniczych? Dr inż. Małgorzata Kwestarz"

Patryk Zawadzki
8 lat temu
Przeglądów:

Magazynowanie ciepła (aspekty technologiczne) Wyzwanie czy konieczność w procesie eksploatacji nowoczesnych systemów ciepłowniczych? Dr inż.

1 Magazynowanie ciepła (aspekty technologiczne) Wyzwanie czy konieczność w procesie eksploatacji nowoczesnych systemów ciepłowniczych? Dr inż. Małgorzata Kwestarz Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej VIII Konferencja Techniczna r.

Małgorzata Kwestarz Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Wydziału

2 Model produkcji i transformacji energii OZE Energia wody Zbiorniki wodne Hydroelektrownie System magazynowania energii elektrycznej Import /export Zapotrzebo -wanie na energię elektryczną OZE - Energia elektryczna Elektrownie Urządzenia chłodnicze Zapotrzebo -wanie na chłód Paliwa kopalne CHP Pompy ciepła / kotły elektryczne Zapotrzebo -wanie na ciepło Ciepłownie, kotłownie Zasobniki ciepła Transport Ciepło odpadowe Zasobniki H 2 Elektroliza Samochody Zapotrzebowanie na ciepło technologiczne Przemysł

chłodnicze Zapotrzebo -wanie na chłód Paliwa kopalne CHP Pompy ciepła / kotły elektryczne Zapotrzebo -wanie na ciepło

3 Tabela 1 Rozróżnia się dwa typy mechanizmów akumulacji energii: - jawny polegający na zmianie temperatury czynnika magazynującego ciepło, - utajony, bazujący na zmianie fazy czynnika magazynującego ciepło (topnienie, parowanie, zmiana struktury itp.). Czynnik Poziom temperatury [C] Zmiana temperatury (TES) Zmiana fazy (PCM) Woda w stalowym zbiorniku (500) Skała Woda / Lód 100 / 0 Parafina 55 Sól uwodniona np. (Na 2 SO 4 * 10 H 2 O) Wodorek litu 686 Fluorek litu 850

4 Zasobnik pary = cieplarka Zastosowanie: powiększa przestrzeń wodną kotła Zasobniki pary dzielimy na : SUCHE typu Rateau, m 3 MOKRE: izobaryczno-izotermiczne izobaryczno-nieizotermiczne, nieizobaryczne czyli zmiennego ciśnienia.

typu Rateau, 500 3000m 3 MOKRE: izobaryczno-izotermiczne

5 + p Z up Systemy parowe ZR - p 1 p p P I Zasobnik Ruthsa K-1 K-2 L I Zasobnik poza kotłownią Przelew Spust Dysze mieszające Schemat podłączenia zasobnika Ruthsa

6 Zasobniki ciepła typu TES Thermal Energy Storage ROZWIĄZANIA KONTRUKCYJNE Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ

7 TTES Tank Thermal Energy Storage 5700 m 3, 2007 r., München Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ

8 CTES- Cavity Thermal Energy Storage Uppsala Szwecja m 3, 90 C - 40 C Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ

9 ATES Aquifer Thermal Energy Storage - Magazyn energii w warstwie wodonośnej wraz ze złożem kamiennym - Lotnisko Arlanda w Sztokholmie Akumulator ciepła i chłody generujący roczne oszczędności na poziomie 4 GWh/rok energii na potrzeby chłodu i 15 GWh/rok na potrzeby ogrzewania. Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ

generujący roczne oszczędności na poziomie 4 GWh/rok energii na potrzeby chłodu i 15

10 Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ

11 BTES ITT Flygt Emmaboda Szwecja (Wykorzystanie energii odpadowej z odlewni) System 40 odwiertów na głębność 200m niskotemperaturowych 0-20 C o potencjale 1500 MWh (ogrzewanie) i 800 WWh (chłodzenie) Planowane odwierty o głębokości m wysokotemperaturowe C o potencjale akumulacji ciepła MWh. Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ

800 WWh (chłodzenie) Planowane odwierty o głębokości 100-150 m wysokotemperaturowe 90-50 C o

12 Złoża kamienne - prototyp TES rys historyczny system ogrzewania zamku w Malborku Największy piec znajdował się pod Wielkim Refektarzem. Składał się z dolnej, przesklepionej komory paleniska, nad którą leżała komora akumulacyjna (ok. 6 m 3 ) wypełniona do połowy swej wysokości kamieniami. Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ

Składał się z dolnej, przesklepionej komory paleniska, nad którą leżała komora

13 Zasobniki TES - konstrukcja Woda gorąca Podział wodnych, bezciśnieniowych zasobników TES: 1.INDYWIDUALNE 2.CENTRALNE 3.ROZPROSZONE A B C Dyfuzory: górny dolny Woda zimna

14 Zasobniki ciepła typu TES u odbiorców INDYWIDUALNE Krótkoterminowe o pojemności 2-3 m 3, wykonane w technologii naziemnej bądź podziemnej. Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ

15 Schemat systemu ciepłowniczego z jednostką kogeneracyjną oraz z centralnym, bezciśnieniowym zasobnikiem ciepła TES ZASOBNIK CENTRALNY Tk2 Ms1 Ms Tz WODA ZASILAJĄCA Ma PARA KOCIOŁ ODZYSKNICOWY Mg BEZCIŚNIENIOWY AKUMULATOR CIEPŁA Mz ODBIORCY CIEPŁA Mk Tk1 Ms1 Tp WODA POWROTNA

CENTRALNY Tk2 Ms1 Ms Tz WODA ZASILAJĄCA Ma PARA KOCIOŁ ODZYSKNICOWY

16 Electricity [MW] Moc cieplna [MW] Harmonogram pracy jednostek wytwórczych oraz cykli ładowania i rozładowywania zasobnika ciepła Śro Sob Sob Wto Czw Niedz Wto Pią Pon Śro Sob Pon Czw Silnik nr 1 Silnik nr 2 Silnik nr 3 Kociol nr 1 Kociol nr 2 Zużycie ciepła 2 1,5 1 0,5 0 Śro Sob Sob Wto Czw Niedz Wto Pią Pon Śro Sob Pon Czw Silnik nr 1 Silnik nr 2 Silnik nr 3 Zużycie energii elektrycznej Śro Sob Czw Wto Pon Sob Czw Pojemnośc zasobnika zaw artośc zasobnika

ciepła 2 1,5 1 0,5 0 Śro 01-01 Sob 01-02 Sob 01-03 Wto 01-04 Czw 01-05 Niedz 01-06 Wto 01-07 Pią 01-08 Pon 01-09 Śro 01-10 Sob 01-11 Pon 01-12 Czw 01-01 Silnik nr 1

17 DOBÓR ZASOBNIKA CIEPŁA Wariant I - Zasobnik o pełnej akumulacyjności cieplnej stabilizujący pracę źródła Q cwu Q cwu max Q cwu śr Qz max Q cwu min czas 1 2 Zmiana bieżącego zapotrzebowania na moc do przygotowania cwu w określonym przedziale czasu

cwu max Q cwu śr Qz max Q cwu min czas 1 2 Zmiana bieżącego

18 DOBÓR ZASOBNIKA CIEPŁA Wariant II - Maksymalizacja przychodów z produkcji ee Zmiana bieżącego zapotrzebowania na moc u odbiorców na tle produkcji energii cieplnej w układzie skojarzonym

19 Z2 Z8 RT ZR3 Zasobniki ciepła typu TES ZASOBNIKI ROZPROSZONE ZR1 RT ZO PM ZZ ZO Z1 Z5 ZO Z7 ZZ PZ ZO Z3 ZR2 RT Z6 ŹRÓDŁO CIEPŁA ZASILANIE MSC POWRÓT z MSC MIEJSKA SIEĆ CIEPŁOWNICZA -ODBIORCY Proces ładowania zasobnika Z4 PZ pompa zasobnika, PM pompa mieszająca, ZO zawór odcinający, ZZ zawór zwrotny, ZR- zawór regulacyjny, Z zawór odcinający. Z2 ZR1 Z3 RT ZO PM ZZ ZO Z5 ZO Z7 ZZ ZR2 P Z RT Z6 Z8 ZR3 RT ZO ŹRÓDŁO CIEPŁA Z1 ZASILANIE MSC POWRÓT z MSC MIEJSKA SIEĆ CIEPŁOWNICZA -ODBIORCY Proces rozładowywania zasobnika Z4 Źródło: Rozprawa doktorska AUTORA, 2011r.

odcinający, ZZ zawór zwrotny, ZR- zawór regulacyjny, Z zawór odcinający.

20 Graf miejskiej sieci ciepłowniczej z zaznaczonymi węzłami zainstalowania zasobników ciepła i obszarami zasilania w ciepło przez zasobniki Obszar północny Obszar północno-wschodni Obszar zachodni ZASOBNIK CIEPŁA II ZASOBNIK CIEPŁA I ZASOBNIK CIEPŁA III Źródło ciepła Źródło: Rozprawa doktorska AUTORA, 2011r.

północny Obszar północno-wschodni Obszar zachodni ZASOBNIK CIEPŁA II

21 Warianty symulacji Warianty symulacji Warianty symulacji lipiec 17% 80% CWU 47% 04:24:37 5:20:05 02:23:02 04:29:04 Węzeł ciepłowniczy przy ul.poniatowskiego 32 zasilany z sieci ciepłowniczej przy współpracy z zasobnikami ciepła Węzeł ciepłowniczy ul.poniatowskiego 32 zasilany z sieci ciepłowniczej bez zasobników ciepła Redukcja opóźnienia transportowego SCENARIUSZ LATO 20% CWU 17:57:17 0:00:00 6:00:00 12:00:00 18:00:00 24:00:00 lipiec Czas Obszar północno-wschodni 32% 80% CWU 40% 05:59:06 09:57:09 13:50:29 20:19:20 Węzeł ciepłowniczy przy ul.daszyńskiego 123 zasilany z sieci ciepłowniczej przy współpracy z zasobnikami ciepła Węzeł ciepłowniczy przy ul.daszyńskiego 123 zasilany z ieci ciepłowniczej bez zasobników ciepła Obszar północny 20% CWU 39:50:39 lipiec 33% 80% CWU 35% 03:00:03 04:35:04 05:44:26 8:37:08 Węzeł ciepłowniczy przy ul.granicznej 25 zasilany z sieci ciepłowniczej przy współpracy z zasobnikami ciepła Węzeł ciepłowniczy ul.graniczna 25 zasilany z sieci ciepłowniczej bez zasobników ciepła 0:00:00 6:00:00 12:00:00 18:00:00 0:00:00 6:00:00 12:00:00 18:00:00 24:00:00 0:00:00 24:00:00 Czas Obszar zachodni 20% CWU 18:20:18 0:00:00 6:00:00 12:00:00 18:00:00 24:00:00 Czas Źródło: Rozprawa doktorska AUTORA, 2011r.

22 Moc źródła [kw] Udział strat w procesie dystrybucji [%] Moc źródła[kw] Udział strat w procesie dystrybucji ciepła [%] Moc źródła Udział strat 7,43% 6,38% 6,69% 7,01% 6,37% 5,97% ,41% 4,61% 4,12% Styczeń_średnie miesięczne Styczeń_ładowanie zasobnika Styczeń_rozładowanie zasobnika Marzec_średnie miesięczne Marzec_ładowanie zasobnika Marzec_rozładowanie zasobnika Listopad_średnie miesięczne Listopad_ładowanie zasobnika Listopad_rozładowanie zasobnika Warianty symulacji - scenariusz ZIMA ,00% 9,00% 8,00% 7,00% 6,00% 5,00% 4,00% 3,00% 2,00% 1,00% 0,00% Moc źródła ciepła i udział strat w procesie dystrybucji ciepła SCENARIUSZ ZIMA i SCENARIUSZ LATO 80,00% ,22% Moc źródła Udział strat 70,00% 60,00% 50,00% ,78% 40,00% ,45% ,22% ,37% 13,72% 30,00% 20,00% 10,00% 0 Lato 20% CWU Lipiec_średnia miesięczna Lato 80% CWU Sieć ciepłownicza bez zasobników Lato 20% CWU _ładowanie zasobnika Lipiec_średnia miesięczna Lato 80% CWU_rozładowanie zasobnika 0,00% Źródło: Rozprawa doktorska AUTORA, 2011r. Warianty symulacji

23 WNIOSKI ZASOBNIKI ROZPROSZONE zwiększają bezpieczeństwo zasilania odbiorców poprzez tworzenie podsystemów z lokalnymi źródłami ciepła i dodatkowymi odbiorami. EFEKT: zmniejszenie opóźnienia transportowego dostawy ciepła do odbiorców. ZASOBNIKI INDYWIDUALNE odgrywają analogiczną rolę jak zasobniki rozproszone w odniesieniu do jednego budynku. W pracy systemie zaczynają być zauważalne przy dużej koncentracji. ZASOBNIK CENTRALNY umożliwia pracę źródła niezależnie od chwilowego zapotrzebowania przez sieć ciepłowniczą. EFEKT: maksymalizacja zysków z produkcji energii elektrycznej, stałe obciążenie jednostek wytwórczych co umożliwia osiągnięcie wysokiej sprawności, minimalizację zużycia paliwa i redukcję emisji zanieczyszczeń.

24 WNIOSKI Współpraca rozproszonych zasobników ciepła bądź zespołu indywidualnych zasobników ciepła wpływa na stabilizację obciążenia sieci ciepłowniczej magistralnej. Praca sieci ze stałym sezonowym obciążeniem pozwala na sterowanie metodą jakościową, co z jednej strony wymusza, ale i pozwala na właściwy dobór temperatury wody zasilającej rejony i wody powrotnej przy stałym przepływie a to z kolei skutkuje ograniczeniem strat ciepła. Oszczędności zostaną także wygenerowane przez napędy zespołów pompowych, które będą pracować ze stałą wydajnością. Największe oszczędności zostaną osiągnięte w trakcie przerwy w sezonie ogrzewczym.

25 Dziękuję za uwagę Dr inż. Małgorzata Kwestarz

Podobne dokumenty

Magazynowanie energii na potrzeby ogrzewania/chłodzenia - przykłady rozwiązań

Magazynowanie energii na potrzeby ogrzewania/chłodzenia - przykłady rozwiązań dr hab. inż. Brunon J. Grochal, prof. IMP PAN/prof. WSB Instytut Maszyn Przepływowych PAN mgr inż. Tomasz Mania PSPC/NEXUM