Sposoby magazynowania energii cieplnej

Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES)
dla NAUCZYCIELI
Miguel Ramirez
Dr. Shane Colclough
Prof. Neil J Hewitt
1
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może być magazynowana?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
2
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może być magazynowana?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
3
Co to jest STES?
 Magazynowanie zimna w
okresie zimowym do
użytku w lato
 Magazynowanie ciepła w
okresie letnim do użytku
w zimę
4
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może być magazynowana?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
5
Dlaczego STES?





Wykorzystanie energii w budynkach stanowi 30-40% całkowitego
zużycia energii w UE [D1.1, D1.3]
60-70% z niej jest zużywana do ogrzewania budynków mieszkalnych
Zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania pomieszczeń występuje
głównie w okresie zimowym
Magazynowanie energii słonecznej w okresie letnim do użytku w zimę
Kraje Europy Północnej mają temperaturę otoczenia na poziomie 5°C
i promieniowanie słoneczne do 1000 kWh/m² (Sztokholm)
źródło: SoDa-is.com
6
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może być magazynowana?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
7
 Starożytna Persja (400 p.n.e)
Ceglana kopuła (Yakhchals) o wysokości 60
stóp z łapaczami wiatru, służąca do
przechowywania lodu przy zewnętrznych
temperaturach sięgających do 40 °C.
Source: awesci.com
Historia STES -Zimno
 Rzymianie
 Zimne Domy
W XVIII i XIX w. woda z rzek lub stawów
wykorzystywana była do utrzymywania
niskiej temperatury w domach w celu
konserwowania żywności (Middleton, AngliaGlen River, Irlandia Płn.)
Source: Griffiths & Colclough
W I w.n.e. używali studni i śniegu, do
zachowania
odpowiedniej
temperatury
jedzenia i wina podczas gorących dni.
8
Historia STES -Ciepło
 Niemcy po I WŚ
Pierwsze
studium
wykonalności
rozpoczęto w 1920 ze względu na
ograniczone zasoby kraju.
 USA
“Szklany” dom z 1933 i MIT dom z 1939
- obydwa wykonane ze szkła i
materiałów o wysokiej pojemności
cieplnej do magazynowania energii.
 Dania, Szwecja
Kryzys naftowy w latach 70-tych zmusił
rządy do poszukiwania alternatywnych
rozwiązań.
Wybudowane
zostały
systemy magazynowania ciepła na małą
i dużą skalę połączone z systemami
ciepłowniczymi.
9
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może być magazynowana?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
10
Jak to działa? - ELEMENTY

Źródło ciepła



Magazyn Ciepła




Energia słoneczna
Przemysłowe ciepło odpadowe
Duża pojemność cieplna
Duża objętość
Niskie straty cieplne
System pomocniczy i dystrybucyjny


Kocioł, Pompa cieplna
Siatka systemu cieplnego
11
Jak to działa- KONFIGURACJA

Równoległa
Pompa ciepła, kolektor słoneczny
oraz STES pracują samodzielnie w
celu zaspokojenia popytu na ciepło

Szeregowa
Kolektor słoneczny lub STES
działają jako źródło dla pompy
ciepła lub jako wsparcie dla innych
źródeł

Szeregowa/ równoległa
Pompa
ciepła
lub
kolektor
dostarcza ciepło do budynku,
zależnie lub niezależnie (D5.5)
12
Jak to działa- KONFIGURACJA

Równoległa
Kolektory słoneczne są połączone
bezpośrednio
zarówno
z
budynkiem jak i zbiornikiem. W
okresie wysokiego promieniowania
słonecznego kolektory słoneczne
ładują STES lub dostarczają ciepło
do budynków.
Pompa ciepła jest połączona
niezależnie w celu dostarczenia
ciepła
kiedy
zbiornik
jest
rozładowany.
To
może
być
zarówno powietrzna lub gruntowa
pompa ciepła.
13
Jak to działa- KONFIGURACJA

Szeregowa
Zbiornik
ciepła
połączony
zarówno
z
kolektorami
słonecznymi
i
systemem
pomocniczym lub pompą ciepła.
Kiedy rozpoczyna się okres
grzewczy, zbiornik dostarcza
energię cieplną do budynków.
Kolektory
słoneczne
mogą
również
dostarczyć
ciepło
niezależnie, gdy promieniowanie
słoneczne jest wysokie.
Pompa ciepła dostarcza ciepło do
naładowania, kiedy STES jest
rozładowany.
Czynnikiem
grzewczym powinna być woda.
14
Jak to działa- KONFIGURACJA
 Szeregowa/ Równoległa
Kolektory słoneczne są połączone
z budynkami, pompą cieplną i
STES za pomocą oddzielnych
linii. Zbiornik może dostarczać
ciepło do budynków i do pompy
ciepła.
Pompa
ciepła,
w
którym
preferowanym
czynnikiem
grzewczym jest woda, dostarcza
ciepło do budynków. Można
wykorzystać ciepło zarówno z
kolektorów słonecznych jak i
zbiornika STES.
15
PRZYKŁAD SZEREGOWEGO I
RÓWNOLEGŁEGO TRYBU PRACY STES
(EINSTEIN PLANTS CASE)
16
Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy

Ładowanie
Ładowanie systemu STES zaczyna się, gdy dostępna jest energia cieplna
ze źródła (słońce). Energia słoneczna może być zbierana w miesiącach
letnich i magazynowana w zbiornikach STES do późniejszego użytku.
Możliwe jest również, aby magazynować i dostarczać energię cieplną
tylko wtedy, gdy zbiornik ma niezależne układy ładowania
i rozładowania. (D1.3)
17
Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy

Bezpośrednie rozładowywanie
Rozładowywanie systemu STES rozpoczyna się w okresie grzewczym.
Zbiornik dostarcza ciepło bezpośrednio do budynków za pomocą systemu
ciepłowniczego lub bezpośredniego rurociągu. Temperaturę gorącej wody
na wyjściu reguluje się przy użyciu krzywej grzewczej. Zalecana
maksymalna temperatura gorącej wody na wyjściu to 80°C. (D1.3)
TSTES > 50°C
18
Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy

Praca pompy ciepła
Pompa ciepła pracuje kiedy temperatura wyjściowa z STES jest niższa od
potrzebnej temperatury do pełnego pokrycia zapotrzebowania na ciepło.
Woda z STES dostarcza ciepło do cyklu odparowania w pompie, następnie
cykl skraplania zapewnia wodę w odpowiedniej temperaturze dla
wyrównania zapotrzebowania. (D1.3)
10°C < TSTES < 50°C
19
Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy

Pomocniczy system – Kocioł/ Pompa Ciepła
Kiedy temperatura wody w zbiorniku spada do poziomu, w którym pompa
ciepła zaczyna działać nieefektywnie, pracę zaczyna system pomocniczy.
Gdy energia cieplna ze zbiorników STES jest całkowicie rozładowana to
ładowanie zależy całkowicie od systemu pomocniczego. (4.1)
TSTES < 10°C
20
Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy

Pomocniczy system – Kocioł/ Pompa Ciepła




Pomocnicze źródło ciepła jest niezbędne do pokrycia szczytowego
zapotrzebowania na ciepło i w okresach, gdy zbiornik jest
rozładowany
Pompy ciepła są zwykle trzy do czterech razy bardziej wydajne w
porównaniu do konwencjonalnych grzejników dla uzyskania tej
samej ilości ciepła
Obniżona temperatura powrotu czynnika grzewczego do zbiornika
pomaga w stratyfikacji zbiornika
Niższa temperatura w dowolnej części zbiornika powoduje wyższą
wydajność kolektorów i zmniejsza straty ciepła poprzez ziemię.
21
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może być magazynowana?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
22
Sposoby magazynowania energii cieplnej

Ciepło utajone

Ciepło chemiczne

Ciepło jawne
23
Sposoby magazynowania energii cieplnej
 Magazynowanie energii utajonej
Najczęściej używanym materiałem do
magazynowania ciepła utajonego są
materiały
zmienno-fazowe
(PCM)
posiadające fazę ciekłą i stałą. Energia
cieplna może być wchłaniana przez PCM
w obu fazach - stałej i ciekłej. Absorbują
one znaczne ilości ciepła podczas
przejścia ze stanu stałego do ciekłego
(temperatura topnienia). W PCM można
przechowywać od 5 do 14 razy więcej
ciepła na jednostkę objętości w
porównaniu
z
konwencjonalnymi
materiałami magazynującymi, takimi jak
woda, beton lub skały. Kiedy energia
cieplna jest pobierana z PCM, zmienia się
od cieczy do fazy stałej uwalniając swoje
ciepło utajone.(1.3)
24
Sposoby magazynowania energii cieplnej
 Magazynowanie termochemiczne
Chemiczne
i
sorpcyjne
systemy
magazynowania ciepła (termochemiczne),
są obiecującymi technologiami dającymi
znaczne korzyści, w porównaniu do
zarówno jawnego i utajnionego systemu
magazynowania
ciepła.
Gęstość
magazynowania teoretycznie może być do
10 razy wyższa od wody, powodując tym
samym zmniejszenie objętości konstrukcji.
Ze względu na charakter procesu oraz niską
temperaturę magazynowanych materiałów
można
niemal
wyeliminować
straty
cieplne. Połączenie obu tych zalet
umożliwia
efektywne
w
czasie
magazynowanie
energii cieplnej i jej
transport (D1.1).
25
Sposoby magazynowania energii cieplnej
 Magazynowanie energii jawnej
Ciepło jawne jest energią cieplną
przekazywaną do, lub z substancji, co
prowadzi do zmian temperatury. Jest to
najbardziej popularny i bezpośredni
sposób do magazynowania ciepła. Jednak
głównymi wadami są
duże ilości
materiałów i duża objętość, które są
potrzebne oraz wysokie straty ciepła
kiedy magazyn jest otoczony niższą
temperaturą. Korzystanie ze zbiornika
wody do magazynowania ciepła jest
dobrze znaną technologią.
Innowacyjne
rozwiązania
mogą
zminimalizować straty ciepła, poprzez
zapewnienie optymalnej stratyfikacji
wody i wysokiej sprawności izolacji
termicznej.
26
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może być magazynowana?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
27
Jaka ilość energii może być magazynowana

Q= m·cp·ΔΤ




Q: Ilość magazynowanej energii cieplnej
m: Masa substancji używana do magazynowania ciepła
cp: Właściwa pojemność cieplna magazynowanej
substancji
ΔT: Różnica temperatury substancji magazynującej
przed i po ładowaniu zbiornika
28
Jaka ilość energii może być magazynowana

Przykład:
Kolektory słoneczne grzeją 100 m3 wody z 25 do 50 °C,
która jest magazynowana w izolowanym zbiorniku. Jaka
ilość energii jest zmagazynowana w wodzie?
Q = m·cp·ΔΤ
m = ρ·V = 1000kg/m3 x100m3 = 100000kg
cp = 4.18 kJ/kg·K)
ΔΤ= 25°K
Q= 100000 x 4.18 x 25 = 10450 MJ = 2.9 MWh
(D1.3)
29
Heißwasser-Wärmespeicher
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Jaka ilość energii może być magazynowana
Sommer
Heißwasser-Wärmespeicher
Heißwasser-Wärmespeicher
Winter
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Kies/Wasser-Wärmespeicher
Sommer
Winter
Wärmedämmung
Sommer
Winter
Abdichtung
Schutzvlies
Wärmedämmung
Abdichtung
Wärmedämmung
Schutzvlies
Zbiornik z wodą do magazynowania energii
cieplnejErdsonden-Wärmespeicher
(HW)
~70 kWh/m³
Erdsonden-Wärmespeicher
1)
Erdsonden-Wärmespeicher
Odwiertowy magazyn energii cieplnej
(BTES)
15-30 kWh/m³
1) J
max=90
Abdichtung
Basenowy magazyn energii
cieplnej
Schutzvlies
(PTES)
~55 kWh/m³ 2)
Magazyn energii cieplnej wykorzystujący
wodonośne warstwy (ATES)
30-40 kWh/m³
°C, Jmin=30 °C bez pompy ciepła2) Jmax=80 °C, Jmin=10 °C żwirowo-wodna TES z pompą ciepła
(D 3.1,3.2)
30
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może magazynowana?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
31
Gdzie najlepiej stosować?
Rodzaj budynku





Rodzaj ogrzewania



Pojedynczy dom
Segmenty mieszkalne
Nowy budynek (preferowane)
Istniejące budynki
Źródło: Asko professionals

System ciepłowniczy
Nisko temperaturowy
Warunki klimatyczne


Umiarkowana różnica temperaturLato/Zima
Umiarkowane roczne promieniowanie
słoneczne
32
Gdzie najlepiej stosować? - Rozważania

STES warunki gruntowe




Źródła energii cielnej



Budowa geologiczna
Działka do magazynowania
Charakterystyka hydrologiczna (warstwy wodonośne)
Wystarczająca powierzchnia dla kolektorów słonecznych
(na ziemi, na dachu)
Przemysłowe ciepło odpadowe (zakres i dostępność)
Rodzaj zastosowania


Pojedyncze obciążenie – (stabilny przebieg)
Niezależny od użytkowania mieszkania (złożony system
kontroli)
33
Plan prezentacji

Co to jest Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)?

Dlaczego używamy STES?

Historia STES

Jak to działa?

Sposoby magazynowania energii cieplnej

Jaka ilość energii może być magazynowania?

Gdzie najlepiej stosować?

Jakie są koszty?

Przykłady zastosowań
34
Jakie są koszty?


Koszty i korzyści finansowe sezonowego
magazynowania energii cieplnej są bardzo
zróżnicowane
Zmienne czynniki:






Klimat
Zapotrzebowanie na ciepło
Rodzaj STES
DH integracja
Zmiany finansowe, włącznie ze stopą inflacji, wzrost
cen paliwa, wewnętrznej stopy zwrotu itp.
Niektóre przykłady są przedstawione dla
pojedynczego mieszkania STES i małych
segmentów mieszkalnych
35
Jakie są koszty?
Przykłady kosztów systemu STES




Źródło: Solites
Istnieje wiele sposobów analizy
wyników finansowych instalacji
STES
Krzywa pokazuje koszty dużych
zbiorników ciepłowniczych STES
Koszty zmniejszają się wraz ze
wzrostem objętości zbiornika
Dla instalacji EINSTEIN STES
koszty podane są w tabeli obok:
Teren
Szwecja
Objętość STES {m3} Koszty {€}
23
Polska
800
Hiszpania
180
Koszty/m3 {€}
16225
705.4348
36
Jakie są koszty?
Przykład instalacji domowej STES:
Dom pasywny z systemem solarnym DHW i ogrzewanie pomieszczeń z STES



Najszybszy zwrot kosztów dla
systemu DHW i ogrzewania
przestrzeni bez systemu STES
(16 lat / 24 lat)
Zwrot kosztów dla DHW
i
ogrzewania
przestrzeni
systemem STES wynosił 33 lat
Należy pamiętać, że STES był
zaprojektowany jako element
systemu
niezbędny
do
pochłaniania ciepła
Source: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016
37
Jakie są koszty?
Przykład mało-skalowej instalacji STES:
10 pomieszczeń z systemem DHW i ogrzewaniem pomieszczeń z STES, w
Lysekil, Szwecja



Budynek odnowiony do
standardu domu pasywnego
Używanie instalacji
solarnej z STES
Zwrot kosztów po 17 latach
Opis
Budynek
Ilość pomieszczeń
10 (4 komercyjne, 6 mieszkalne)
Całkowita powierzchnia {m2}
381 plus 390 = 781 w sumie
Powierzchnia
solarna {m2}
50
Dobowe growadzenie {m3}
3300l
STES objętość [m3}
23
Zapotrzebowanie na ogrzewanie pomieszczeń 53,422
{kWh}
DHW zapotrzebowanie energetyczne {kWh}
7,417
Całkowity koszt NPV, ponad 40 lat {€}
405,415
Okres zwrotu {lata}
17
Zwrot w poróSTES
27%
38
Jakie są koszty?
Przykład mało-skalowej instalacji STES:
10 pomieszczeń z systemem DHW i ogrzewaniem pomieszczeń z STES, w
Lysekil, Szwecja



Wartość netto kosztów DHW
i ogrzewania pomieszczeń
Porównanie pomiędzy
systemem ciepłowniczym i
STES (ze wsparciem DH)
Pełne informacje dotyczące
analizy (link Del 7.5)
39
Jakie są koszty?
Instalacja wielko-skalowa STES: EINSTEIN
pilotażowy zakład położony w Ząbkach, Warszawa,
Polska


Bartosz /Bartosz S, może Pan doradzić
gdzie można uzyskać informację na temat
obecnych kosztów w Ząbkach?
Pełne informacje o analizie są dostępne
tutaj (link 9.5)
40
Jakie są koszty?
Instalacja na dużą skalę STES: EINSTEIN pilotażowy
zakład położony w Bilbao, Hiszpania


Patricio/Jose, może Pan dodać
informacje odnośnie kosztów?
Pełne informacje o analizie (link 9.5)
41
Przykłady zastosowań
Kolektory
słoneczne
Flachkollektoren
Heizzentrale
Centralna instalacja
Gas
BrennwertKessel
Podstacja
Wärmeübergabestation Ciepła
Transferu
Wärmenetz
Sieć dystrybucji
Sieci
Saisonaler
Solarnetz
STES Ciepłownicze Ciepła
Wärmespeicher
42
Przykłady zastosowań
Zbiorniki STES pod domem



1szy Europejski dom w 100% ogrzewany systemem solarnym
Oberburg, Szwajcaria
Działa od stycznia 1990
Source: Jenni Energietechnik

43
Przykłady zastosowań
Oberburger Sonnenhaus



Pierwsze mieszkania wielorodzinne ogrzewane w całości
energią słoneczną. Oberburg, Szwajcaria
276 m² kolektorów słonecznych
205 m³ zbiornik ciepła
Source: Jenni Energietechnik

44
Przykłady zastosowań
Hamburg (1996)
 3.000 m²
 Płaskie
kolektory
 4500 m³
 Zbiornik wody
Neckarsulm (1997)
 5.900 m²
 Płaskie
kolektory
 63.300 m³
 BTES
Rostok (2000)
 1.000 m²
 Płaskie
kolektory
 20.000 m³
 ATES
Źródło: USTUTT
Friedrichshafen (1996)
 4.050 m²
 Płaskie
kolektory
 12.000 m³
 Zbiornik wody
Steinfurt (1998)
 510 m²
 Płaskie
kolektory
 1.500 m³
 Pit TES
(Zwir/ Woda)
Hanower (2000)
 1.350 m²
 Płaskie
kolektory
 2.750 m³
 Zbiornik wody
45
Przykłady zastosowań
Chemnitz, 1. phase (2000)
 540 m²
 Kolektory
próżniowo
rurowe
 8.000 m³
 Pit TES
(Zwir/ Woda)
Monachium (2007)
 2.900 m²
 Płaskie
kolektory
 5.700 m³
 Zbiornik wody
Źródło: USTUTT
Attenkirchen (2002)




800 m²
Dach solarny
9.850 m³
Zbiornik wody
& Odwierty
Crailsheim (2007)
 7.500 m²
 Płaskie
kolektory
 37.500 m³
 BTES
Eggenstein (2008)
 1.600 m²
 Płaskie
kolektory
 4.500 m³
 Pit TES
(Zwir/ Woda)
46
Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej
(STES)
dla NAUCZYCIELI
Miguel Ramirez
Dr. Shane Colclough
Prof. Neil J Hewitt
47