Magazynowanie ciepła dla zastosowań sezonowych

Transkrypt

1 XV Jubileuszowa Konferencja Naukowo Techniczna Dostosowanie istniejącej infrastruktury energetycznej do wymogów emisyjnych BAT oraz Pakietu Zimowego, Bełchatów 2018 Magazynowanie ciepła dla zastosowań sezonowych Jarosław Zuwała, Piotr Babiński

2 Magazynowanie ciepła kluczowe parametry Parametr Zdolność akumulacyjna Jednostka kwh/m 3, kwh/kg, J/m 3, J/kg Gęstość zmagazynowanej energii W/m 3, W/kg Moc zasobnika W Liczba cykli ładowania i rozładowania - Czas życia lata Czas rozładowania minuty, godziny Sprawność akumulacji % Jednostkowy koszt zmagazynowania energii Euro/kWh Skala (maksymalna zdolność akumulacyjna) kwh max, J max 2/18

3 Skala rozwoju (moce i pojemności akumulacyjne) Źródło: Zhang H, Baeyens J, Cáceres G, Degrève J, Lv Y. Thermal energy storage: Recent developments and practical aspects. Progress in Energy and Combustion Science. 2016;53: /18

4 Termiczne magazynowanie energii Termiczne magazynowanie ciepła Magazynowanie ciepła jawnego Magazynowanie ciepła utajonego PCM (Materiały zmieniające fazę) Termochemiczne magazynowanie ciepła Materiał ciekły np. woda Eutektyczne Chemiczne magazynowanie energii bez sorpcji Chemiczne magazynowanie energii z sorpcją Materiał stały np. skały Nieorganiczne Reakcja ciecz-gaz Reakcja gaz-gaz Reakcja ciało stałe-gaz Wodorki metali Organiczne NH 4 HSO 4 NH 3 +H 2 O +SO 3 2SO 3 2SO 2 +O 2 Reakcja dekarbonatyzacji węglanów Sole uwodnione 2NH 3 N 2 +3H 2 Reakcja dehydratacji wodorotlenków Tlenki metali w reakcjach REDOX 4/18

5 Dojrzałość technologii magazynowania ciepła akumulacja gorącej wody sieciowej w skali przemysłowej Lokalizacja Objętość, m 3 Wysokość, m Średnica, m EC Siekierki EC Kraków EC Białystok EC Bielsko /18

6 Zasobniki ciepła na świecie Skaerbaek (DANIA), m 3 Helsingborg (SZWECJA), m 3, wysokość: 60 m. Haderslev (DANIA), 1500 m 3 6/18

7 Ciepło z kolektorów słonecznych na potrzeby c.w.u. budownictwo jednorodzinne Kilka faktów: ciepło z kolektorów słonecznych dostępne jest głównie w lecie, na potrzeby c.w.u., konsumpcja (c.w.u.) przez odbiorców indywidualnych jest w lecie niższa niż w zimie (częściej prysznic a nie wanna ), w trakcie słonecznego dnia, przy standardowym zasobniku gorącej wody współpracującym z instalacją solarną o objętości ok. 300 l nie wykorzystujemy zgromadzonej ciepłej wody w ciągu jednego dnia, zasobnik zatem pozostaje uniemożliwia tylko częściowo naładowany, to ładowanie zasobnika w kolejny słoneczny dzień następuje jedynie częściowo co wpływa na czasu efektywnej pracy całej instalacji kolektorów słonecznych. Cel : poprawa stopnia wykorzystania kolektorów słonecznych poprzez magazynowanie ciepła w trakcie lata i wykorzystanie go w zimie na potrzeby grzewcze w domach niskoenergetycznych/pasywnych. rozwój inteligentnych domów pasywnych/ koncepcja smart villages 7/18

8 Zapotrzebowanie na ciepło do celów ogrzewania domu jednorodzinnego oraz wartości natężenia promieniowania słonecznego w roku Źródło: 8/18

9 Idea sezonowego magazynowania ciepła pochodzącego z promieniowania słonecznego w zasobniku ciepła 9/18 Praca zasobnika poniżej 80 C Akumulacja ciepła w porze letniej Wykorzystanie ciepła w porze zimowej

10 Klasyfikacja budownictwa mieszkaniowego Klasa energetyczna Rodzaj budynku Zapotrzebowanie na energię użytkową (EU), kwh/(m 2 rok) A++ Zeroenergetyczny 10 A+ Pasywny od 10 do 15 A Niskoenergetyczny od 15 do 45 B Energooszczędny od 45 do 80 C Średnio energooszczędny od 80 do 100 Okres budowy (Polska) aktualnie D Średnio energochłonny (spełniający aktualne wymagania prawne) od 100 do r. E Energochłonny od 150 do r. F Wysoko energochłonny ponad 250 do 1982 r. 10/18

11 Popularne nośniki do termochemicznego magazynowania ciepła Reakcja Teoretyczna gęstość energii, GJ/m , , , , ,40 11/18

12 Widok i schemat instalacji badawczej sezonowego magazynowania ciepła (IChPW) MgSO 4 7H 2 O MgSO 4 H 2 O + 6H 2 O(g) Masa soli w zbiorniku: 150 kg 0 ΔH 298 = 327, 04 kj/mol 0 ΔH 298 = 1, 33 MJ/kg Do atmosfery T5 T4 T3 T2 T1 Powietrze ze sprężarki Płuczka z wodą do nawilżenia powietrza Podgrzewacz powietrza 12/18

13 Schemat pracy akumulatora ciepła podczas ładowania i rozładowania Powietrze wilgotne Powietrze suche MgSO 4 H 2 O MgSO 4 2H 2O MgSO 4 3H 2O MgSO 4 4H 2O MgSO 4 5H 2O MgSO 4 6H 2O MgSO 4 7H 2 O MgSO 4 6H 2O MgSO 4 5H 2O MgSO 4 4H 2O MgSO 4 3H 2O MgSO 4 2H 2O MgSO 4 7H 2 O MgSO 4 H 2 O Temperatura Temperatura Powietrze suche Powietrze wilgotne 13/18

14 Przykłady wkomponowania zasobników ciepła jako elementów architektonicznych, konstrukcyjno budowlanych źródło: Starościk J.: Pompy ciepła i panele słoneczne Technologie Magazynowanie ciepła czy problem jest już rozwiązany?. Polski Instalator Numer Specjalny 3/2015 (z: Sonnenhaus-Institut (źródło: e.v.) Sonnenhaus- Institut e.v.) źródło: water-tanks-passive-solar-heatstorage/ (dostęp: ) 14/18

15 Podsumowanie (1) Magazynowanie ciepła będzie nabierało coraz większego znaczenia z uwagi na wzrost znaczenia źródeł OZE oraz budownictwa energooszczędnego, Magazynowanie ciepła umożliwia rozwój budownictwa pasywnego nie tylko w oparciu o produkcję energii elektrycznej, ale także ciepła przed konsumenta. Dyrektywa 2010/31/UE zobowiązuje państwa członkowskie do doprowadzenia do tego, aby od końca 2020 r. wszystkie nowo powstające budynki były obiektami o niemal zerowym zużyciu energii (tzw. budynkami zeroemisyjnymi). Zgodnie z art. 2. pkt. 2. tej dyrektywy będą to budynki o bardzo niskim zapotrzebowaniu na energię. W tym samym artykule dyrektywy podkreślono również, że wymagana przez ten budynek energia powinna pochodzić w dużym stopniu z energii ze źródeł odnawialnych, w tym energii ze źródeł odnawialnych wytwarzanej na miejscu lub w pobliżu tego budynku. 15/18

16 Podsumowanie (2) Termochemiczne metody akumulacji energii oferują znaczne pojemności magazynowania przy niskim koszcie medium magazynującego, mogą stać się w przyszłości alternatywą dla spalania paliw kopalnych na potrzeby ciepłownicze w ogrzewnictwie indywidualnym ICHPW przeprowadził badania sezonowego termochemicznego magazynowania ciepła w skali 35 kwh z wykorzystaniem MgSO 4 7H 2 O ICHPW prowadzi prace ukierunkowane na poprawę właściwości nośników akumulujących (hydraty, wodorotlenki, węglany) posiadając wszechstronne doświadczenia w zakresie badań stałych sorbentów i nośników. 16/18

17 Dalszy rozwój projektu sezonowego magazynowania ciepła nowa linia biznesowa segmentu ciepłowniczego nowy produkt na rynku produkcji ciepła dla odbiorców indywidualnych. Obszar / motor rozwoju innowacji energetycznych z KRIE, w który wpisuje się projekt: 4. Ekologiczne i efektywne miasto 4.3 Zmniejszenie energochłonności budynków Str. 38: Celem pozostaje budowa energooszczędnych i inteligentnych domów, których możliwie wiele elementów zostało zaprojektowanych i wykonanych w Polsce 17/18

18 INSTYTUT CHEMICZNEJ PRZERÓBKI WĘGLA ul. Zamkowa Zabrze Telefon: Fax: office@ichpw.pl Internet: NIP: Regon: CENTRUM BADAŃ TECHNOLOGICZNYCH Tel. sekretariat w. 300 Tel. Dyrektor Centrum CENTRUM BADAŃ LABORATORYJNYCH Tel. sekretariat w. 200 Tel. Dyrektor Centrum /18