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 6-7.11.2013r.
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
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 20-200 (500) Skała 20-100 Woda / Lód 100 / 0 Parafina 55 Sól uwodniona np. (Na 2 SO 4 * 10 H 2 O) 30-70 Wodorek litu 686 Fluorek litu 850
Zasobnik pary = cieplarka Zastosowanie: powiększa przestrzeń wodną kotła Zasobniki pary dzielimy na : SUCHE typu Rateau, 500 3000m 3 MOKRE: izobaryczno-izotermiczne izobaryczno-nieizotermiczne, nieizobaryczne czyli zmiennego ciśnienia.
+ 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
Zasobniki ciepła typu TES Thermal Energy Storage ROZWIĄZANIA KONTRUKCYJNE Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ
TTES Tank Thermal Energy Storage 5700 m 3, 2007 r., München Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ
CTES- Cavity Thermal Energy Storage Uppsala Szwecja 100 000 m 3, 90 C - 40 C Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ
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
Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ
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 100-150 m wysokotemperaturowe 90-50 C o potencjale akumulacji ciepła 5 000 MWh. Źródło: SEMIANRIUM NAUKOWO-TECHNICZNE ECO- URO-ENERGIA 2012 BYDGOSZCZ
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
Zasobniki TES - konstrukcja Woda gorąca Podział wodnych, bezciśnieniowych zasobników TES: 1.INDYWIDUALNE 2.CENTRALNE 3.ROZPROSZONE A B C Dyfuzory: górny dolny Woda zimna
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
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
Electricity [MW] Moc cieplna [MW] Harmonogram pracy jednostek wytwórczych oraz cykli ładowania i rozładowywania zasobnika ciepła 15 10 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 Silnik nr 2 Silnik nr 3 Kociol nr 1 Kociol nr 2 Zużycie 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 Silnik nr 2 Silnik nr 3 Zużycie energii elektrycznej 12 10 8 6 4 2 0 Śro 01-01 Sob 01-03 Czw 01-05 Wto 01-07 Pon 01-09 Sob 01-11 Czw 01-01 Pojemnośc zasobnika zaw artośc zasobnika
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
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
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.
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.
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.
Moc źródła [kw] Udział strat w procesie dystrybucji [%] Moc źródła[kw] Udział strat w procesie dystrybucji ciepła [%] 90 000 80 000 70 000 60 000 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 0 81 150 81 150 81 150 Moc źródła Udział strat 7,43% 6,38% 6,69% 7,01% 6,37% 5,97% 46 024 46 024 46 024 4,41% 4,61% 4,12% 39 861 39 861 39 861 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 30000 10,00% 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% 25000 20000 69,22% 23 882 Moc źródła Udział strat 70,00% 60,00% 50,00% 15000 34,78% 40,00% 10000 5000 3 518 26,45% 8 736 8 736 9,22% 8 736 8 736 16,37% 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
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.
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.
Dziękuję za uwagę Dr inż. Małgorzata Kwestarz malgorzata.kwestarz@is.pw.edu.pl