XLIV spotkanie Forum Energia Efekt Środowisko NFOŚiGW Warszawa, 7 września 2012 Domy słoneczne i magazynowanie ciepła dr inż. Ryszard Wnuk Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A. rwnuk@kape.gov.pl 1
Domy słoneczne Tradycyjne lub nowoczesne Magazynowanie energii/ciepła 2
Osiedle słoneczne Freiburg Energy + Magazynowanie energii sieć elektroenergetyczna jako bufor 3
Możliwość zastosowania odnawialnych źródeł energii w budynkach: energii promieniowania słonecznego: w pasywnych i aktywnych systemach grzewczych, w instalacjach elektrycznych z ogniwami fotowoltaicznymi (PV), w rozwiązaniach związanych z oświetleniem światłem dziennym energii odpadowej: poprzez odzysk ciepła z układów wentylacyjnych, ścieków i innych; energii otoczenia budynku (np. wód gruntowych lub powierzchniowych, gruntu, powietrza): poprzez zastosowanie pomp ciepła; energii biomasy: w instalacjach z nowoczesnymi kotłami spalającymi zrębki drewniane lub pelety; energii wiatru: za pomocą turbin wiatrowych; ogniw paliwowych. Konieczność akumulacji energii: zmienność w czasie zapotrzebowania, okresowość dostarczania z OŹE, różnorodność form wytwarzania. Rodzaje magazynów energii: krótko- i długoterminowe w formacjach wodonośnych w gruncie 4 w złożach sztucznych
Sposoby akumulacji energii: Magazynowanie energii mechanicznej magazynowanie energii cieplnej (wewnętrznej) i chemicznej Wykorzystanie pojemności cieplnej materiałów (woda, kamienie, tradycyjne materiały budowlane) i efektów cieplnych przemian fazowych Wykorzystanie efektów cieplnych reakcji chemicznych Magazynowanie z wykorzystaniem procesów eletrochemicznych Magazynowanie z wykorzystaniem procesów biochemicznych Magazynowanie ciepła/chłodu (magazynowanie energii na sposób ciepła): dostarczanie energii na sposób ciepła do materiału akumulującego przechowywanie odbiór 5
Cele/korzyści magazynowania energii (np. na sposób ciepła) Magazynowanie ciepła w budynkach: Zmniejszenie zapotrzebowania na energię Zmniejszenie szczytowego zapotrzebowania na energię Poprawa warunków komfortu cieplnego (stabilizacja temperatury w pomieszczeniach) Efektywne wykorzystanie energii słonecznej Efektywne wykorzystanie naturalnych warunków klimatycznych Poprawa efektywności np. ogniw fotowoltaicznych Rodzaje zasobników/magazynów ciepła Zasobniki w strukturze budynku specjalne/wydzielone zasobniki 6
Zasobniki ciepła w budynkach Zasobniki strukturalne Zasobniki cienkowarstwowe Zasobniki średniej wielkości Zasobniki masywne Magazyny ciepła instalacji grzewczych Rola pojemności cieplnej struktury budynku 7
Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego systemy pasywne System zysków bezpośrednich - System zysków pośrednich ściana izolacyjna ściana akumulacyjna klinkier System zysków pośrednich z układem oszklonej werandy ściana izolacyjna Przykład realizacji system zysków bezpośrednich ściana akumulacyjna 8
T e m p e ra tu ra, o C Materiały magazynujące energię na sposób ciepła przykłady porównanie pojemności cieplnej Temperatura w funkcji entalpii właściwej wybranych materiałów budowlanych i materiałów zmienno-fazowych 35 30 25 20 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 Entalpia właściwa, MJ/m 3 beton tynk wapienny parafina RT26 Micronal DS 5001X sosna żółta 9
Klasyfikacja materiałów fazowozmiennych ulegających przemianie fazowej ciało stałe - ciecz Organiczne Materiały fazowozmienne (PCM) Nieorganiczne Technologie łączenia materiału zmienno-fazowych (PCM) z materiałami budowlanymi: Bezpośrednie zmieszanie Nasycanie materiałem PCM elementów porowatych Kapsułkowanie Wytwarzanie elementów PCM do umieszczenia w elementach budowlanych (walce, maty) Wytwarzanie płyt laminowanych (najczęściej z wełny mineralnej) z cienką wewnętrzną warstwą materiału PCM) Mikro-kapsuły z materiałem fazowo-zmiennym (PCM) Źródło: BASF 10
Przykład materiału zmienno-fazowego Micronal ciepło przemiany fazowej 110 kj/kg 40 35 30 25 20 15 10 Ciepło właściwe, kj/(kgk) 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Temperatura, C 25 24 23 22 21 20 19 18 11 0 2400 4800 7200 9600 12000 14400 16800 19200 21600 24000 26400 28800 31200 33600 36000 38400 40800 43200 45600 48000 50400 52800 55200 57600 60000 62400 64800 67200 69600 72000 74400 76800 79200 81600 84000 86400 Koszt materiałów zmienno-fazowych 0,5 10 Euro/kg
Magazynowanie ciepła/chłodu - przykłady Zastosowanie PCM w budynku wielo-piętrowym. PCM - w układzie chłodzenia sufitowego. Sufity pomieszczeń posiadają płyty gipsowe z mikrokapsułkami z PCM, nad którymi umieszczono rurowy system chłodzący. Płyta ma grubość 4 cm, wagę 40 kg/m 2. Panele z materiałem PCM w układzie ogrzewania wodnego podłogowego Rurowe elementy z PCM zastosowane w pustakach sufitowych Panele ścienne z PCM Materiał zmienno-fazowy domieszkowany do warstwy tynku 12
okno z żaluzjami światło dzienne zyski bezpośrednie 70 m 2 zyski pośrednie jako efekt izolacji transparentnej gruntowy wymiennik ciepła odzysk energii powietrza wentylacyjnego powietrzne ogrzewanie pomieszczeń gazowy podgrzewacz pomocniczy energia elektryczna Magazynowanie energii długoterminowe procesy elektrochemiczne Ekonomika? Samowystarczalny energetycznie dom słoneczny Freiburg (Niemcy) 1994 14 m 2 ogniwa PV akumulatory 36 m 2 ogniwa paliwowe 1 KW kolektory słoneczne dwustronnie opromieniowane powietrze światło dzienne woda mieszanka niezamarzająca energia elektryczna wodór / tlen elektrolizery woda zimna = do kuchenki woda ciepła zbiornik ciepłej wody 1500 kwh zbiornik wodoru zbiornik tlenu 13 13
Magazynowanie ciepła w domach słonecznych: Konieczne/nie do niedocenienia Różnorodność sposobów i materiałów Możliwe do zastosowania tradycyjne materiały/układy Rozwijane i wdrażane innowacyjne technologie (R&D) Efekty zastosowania układów magazynujących możliwe do ilościowego i ekonomicznego oszacowania/określenia