Magazynowanie energii na potrzeby ogrzewania/chłodzenia przykłady rozwiązań

Transkrypt

1

2 Magazynowanie energii na potrzeby ogrzewania/chłodzenia przykłady rozwiązań mgr inż. Tomasz Mania NEXUM / V-prezes P.S.P.C. doktorant Politechniki Gdańskiej / IMP PAN dr hab. inż. Brunon J. Grochal, prof. IMP PAN / prof. WSG,Prezes P.S.P.C. Instytut Maszyn Przepływowych PAN

3 1. Wstęp Plan prezentacji 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

4 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) 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.

5 Od wieków próbujemy zakumulować ciepło Zamek w Malborku - przykład - ogrzewanie podłogowe z akumulacją ciepła 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.

6 Magazyny energii TES - Thermal Energy Storage - rodzaje STES - Seasonal Thermal Energy Storage Cavity thermal energy storage ( CTES)

7 Wariant magazynu TTES (Tank Thermal Energy StorgeTES)

8 Wariant PTES (Pit Thermal Energy Storge)

9 Wariant BTES (Borehole Thermal Energy Storge)

10

11 Grunt to dobre dolne źródło ciepła oraz magazyn ciepła/chłodu m sondy pionowe - Magazyn o pojemności m3 - zmiana temperatury o 1 st. K wymaga pobrania lub dostarczenia energii w ilość 600 MWh

12 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 0-20 C, 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 C, ciepło odpadowe z procesu technologicznego, odwierty m, akumulacja 5000 MWh energii, sprawność wykorzystania 70-80% (szacunki)

13 ENERGY PILE PALE ENERGETYCZNE KONSTRUKCJA BUDYNKU SYSTEM OGRZEWANIA SYSTEM CHŁODZENIA Wymiennik ciepła konstrukcyjne wkomponowany w rdzeń pala energetycznego

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

15 Możliwości techniczne posadowienia pali energetycznch Przykłady głowic technicznych

16 Wariant BTES Bloki energetyczne wbijane w grunt

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

18 Konstrukcja pali energetycznych

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

20 Drogi, mosty, tunele jako aktywne systemy magazyn energii

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

22 Budowa, automatyzacja i uruchomienie instalacji akumulatora ciepła w Elektrociepłowni Białystok

23

24 Bezpieczniej z akumulatorem ciepła konkretne rozwiązanie 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. Ilość energii, jaką można w nim zgromadzić, to MWh. Energia ta wystarczy do jednoczesnego ogrzania około mieszkań w Warszawie przez całą dobę. Inwestycja kosztowała ok. 50 mln zł.

25 Dane techniczne: Pojemność m 3 (to ponad 40 milionów termosów o pojemności 0,75 l) Wysokość zbiornika 47 m Średnica zbiornika 30 m Pojemność cieplna MWh Moc cieplna 300 MWt Grubość izolacji 500 mm Prędkość ładowania / rozładowania t/h Temperatura wody sieciowej C Typ zbiornika bezciśnieniowy Zabezpieczenie antykorozyjne poduszka parowa. Akumulator wyrównuje pracę sieci ciepłowniczej Polskie wykonanie skandynawskie wzorce

26 Racjonalne wykorzystanie konstrukcji bunkra jak magazynu energii TTES 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 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 litrów wody. Budowla zajmuje ok. 120 hektarów, a w swoim czasie mogła dać ochronę nawet 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.

27 Centrum - Oostelijke Handelskade Holandia - wytwarzanie oraz dystrybucja ciepła i chłodu powiązana z efektywnością energetyczną - mniej więcej 55% zaoszczędzonego paliwa (nieodnawialnych kopalnin) - Powierzchnia budynku : 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

28 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 m 3 /h Potrzeby energetyczne budynku: Energia elektryczna: 8600 kw; 9500 MWh/a Ciepło: kw; MWh/a Chłód: 6200 kw; 2800 MWh/a

29 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.

30 Magazyn ciepła w budynku jednorodzinnym

31 Krótkoterminowy magazyn energii ciepła / chłodu Zintegrowany system dla domów niezależnych energetycznie- zbiornik akumulacyjny połączony z baterią słoneczną, małą elektrownią wiatrową jest w stanie przy odpowiednim doborze pokrywa % 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 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 stopni Celsjusza. W niedalekiej przyszłości tego typu rozwiązania przejmą całkowite pokrycie energii w budownictwie jednorodzinnym i nie tylko.

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

33 Pierwszy ogrzewany most z magazynem energii Lubeck Niemcy- 2011

34

35 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 m 3. 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 m 2. 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 90 C and 40 C respectively.

36 Magazynowanie chłodu historia Sezonowy magazyn chłodu na rzece Hudson Wycinanie bloków lodowych jak wsad do magazynów chłodu

37 Porównanie możliwości energetycznych lodowego TES w stosunku do wodnego TES

38 Przykłady magazynowania chłodu pod postacią bloków lodu, śniegu Magazyn w budynku 2.Magazyn z warstwą izolacyjną 3.Magazyn z warstwą izolacyjną i zagłębiony w gruncie 4.Magazyn pod ziemią 1 2 snow storage (Sundsvall Hospital)

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

40 Skwantyfikowanie informacji dolne źródło Dolne źródło pompy ciepła Sondy pionowe Sonda pionowe zamknięte 70 kw moc chłodnicza p.c m odwiertu Sonda CO2 Dolne źródło Sonda spiralna Magazynowanie energii zbiorniki typu TTES 100 m3 2 zbiorniki 50 m3 Ciepło + chłód Pale energetyczne Płot energetyczny Sonda otwarta Zbiornik lodowy Magazyn energii Cieplnej typu BTES 100 kw - moc magazynu 260 GJ -ilość energii cieplnej Przypowierzchniowe Podgrzewanie gruntu (parking+chodniki) 1500 m2 pow m odwiertu

41 "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 m 2 ) rocznie zużywa 28 kwh/m 2 energii (budynek tradycyjny 247 kwh/m 2 ). Radykalne zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło było możliwe dzięki zastosowaniu starannie dobranych materiałów budowlanych oraz zwartej bryły budynku.

42 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?

43 Dziękujemy za uwagę WYBÓR NALEŻY DO NAS POLSKIE STOWARZYSZENIE POMP CIEPŁA