oraz magazyn ciepła/chłodu - Instytut Maszyn Przepływowych PAN

Magazynowanie energii na potrzeby
ogrzewania/chłodzenia
przykłady rozwiązań
mgr inż. Tomasz Mania – NEXUM / V-prezes P.S.P.C.
doktorant Politechniki Gdańskiej / IMP PAN
2002 - 2012
dr hab. inż. Brunon J. Grochal, prof. IMP PAN / prof. WSG ,Prezes P.S.P.C.
Instytut Maszyn Przepływowych PAN
Plan prezentacji
1.
Wstęp
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
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.
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 m3)
wypełniona do połowy swej wysokości
kamieniami.
Magazyny energii TES - Thermal Energy Storage - rodzaje
STES - Seasonal Thermal Energy Storage
Cavity thermal energy storage ( CTES)
Wariant magazynu TTES (Tank Thermal Energy StorgeTES)
Wariant PTES (Pit Thermal Energy Storge)
Wariant BTES (Borehole Thermal Energy Storge)
Grunt to dobre dolne źródło ciepła – oraz magazyn ciepła/chłodu
- 140 m sondy pionowe
- Magazyn o pojemności 1 000 000 m3
- zmiana temperatury o 1 st. K wymaga
pobrania lub dostarczenia energii w ilość 600 MWh
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 90-50C,
ciepło odpadowe z procesu technologicznego,
odwierty 100-150 m, akumulacja 5000 MWh energii,
sprawność wykorzystania 70-80% (szacunki)
ENERGY PILE
PALE ENERGETYCZNE
KONSTRUKCJA BUDYNKU
SYSTEM OGRZEWANIA
SYSTEM CHŁODZENIA
http://www.gogeothermal.co.uk/category.asp?c=8
Wymiennik ciepła
konstrukcyjne
wkomponowany w rdzeń
pala energetycznego
Pale energetyczne – wykorzystanie konstrukcji posadowienia
budynku jako układu magazynowania energii ciepła i chłodu
Możliwości techniczne posadowienia pali energetycznch
Przykłady głowic technicznych
http://www.franki-geotechnics.be/Referenties/Piles/Referenties-energiepaal.aspx
Wariant BTES – Bloki energetyczne
wbijane w grunt
Stosowanie tego rodzaju zaawansowanych technologii
ogrzewania, przygotowania ciepłej wody i chłodzenia jest
możliwe tylko przy wykorzystaniu POMP CIEPŁA !!!
Konstrukcja pali energetycznych
http://www.xn--energiepfhle-ocb.com/engl/energiepfahl.html
Wspomaganie komputerowe programami do symulacji pracy magazynów energii ciepła i chłodu
Analizy numeryczne oraz symulacja okresowa pracy magazynów ciepła i chłodu
Drogi , mosty, tunele jako aktywne
systemy magazyn energii
http://publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/130115.pdf
Zastosowanie systemów przeciwoblodzeniowych na peronach kolejki podmiejskiej w HARZ w Niemczech 2005 r.
z wykorzystaniem magazynu energii typu ATES oraz BTES
Projekt pilotażowy
Budowa, automatyzacja i uruchomienie instalacji akumulatora ciepła w
Elektrociepłowni Białystok
http://www.cire.pl/pliki/2/bialostocki_akumulator.pdf
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 1 600 MWh.
Energia ta wystarczy do jednoczesnego ogrzania około
25 000 mieszkań w Warszawie przez całą dobę. Inwestycja
kosztowała ok. 50 mln zł.
Dane techniczne:
Pojemność – 30 400 m3 (to ponad 40 milionów termosów o pojemności 0,75 l)
Wysokość zbiornika – 47 m
Średnica zbiornika – 30 m
Pojemność cieplna – 1 600 MWh
Moc cieplna – 300 MWt
Grubość izolacji – 500 mm
Prędkość ładowania / rozładowania – 4 500 t/h
Temperatura wody sieciowej – 40-99°C
Typ zbiornika – bezciśnieniowy
Zabezpieczenie antykorozyjne – poduszka parowa.
Akumulator – wyrównuje pracę sieci ciepłowniczej
Polskie wykonanie skandynawskie wzorce
http://www.elektroinzynieria.pl/artykuly/bezpieczniej-z-akumulatorem-ciepla-37136-6
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.
4000 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 2 000 000 litrów wody. Budowla
zajmuje ok. 120 hektarów, a w swoim czasie mogła dać
ochronę nawet 30000 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.
http://inhabitat.com/hamburg-to-convert-a-wwii-flak-bunker-into-a-renewable-energy-bunker/energieprojekte-iba-hamburg/
Centrum - Oostelijke Handelskade – Holandia
- wytwarzanie oraz dystrybucja ciepła i chłodu powiązana z efektywnością energetyczną
- mniej więcej 55% zaoszczędzonego paliwa (nieodnawialnych kopalnin)
- Powierzchnia budynku : 128 000 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
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 m3/h
Potrzeby energetyczne budynku:
Energia elektryczna: 8600 kW; 9500 MWh/a
Ciepło: 12500 kW; 16000 MWh/a
Chłód: 6200 kW; 2800 MWh/a
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.
Magazyn ciepła w budynku
jednorodzinnym
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 80100% 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 30000 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 22-28 stopni Celsjusza. W niedalekiej przyszłości tego typu rozwiązania przejmą
całkowite pokrycie energii w budownictwie jednorodzinnym i nie tylko.
https://ssl.webpack.de/ratiotherm.de/fileadmin/daten/flash_ani/100108_oskar_groesser_grau.swf
Nowoczesne rozwiązania w budownictwie jednorodzinnym – z wodnym
magazynem energii ciepła umieszczonym w centralnym punkcie budynku
Pierwszy ogrzewany most z magazynem energii – Lubeck Niemcy- 2011
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 100 000 m3.
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
m2. 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.
Magazynowanie chłodu – historia
Sezonowy magazyn
chłodu na rzece Hudson
Wycinanie bloków lodowych
jak wsad do magazynów chłodu
Porównanie możliwości energetycznych
lodowego TES w stosunku do wodnego TES
Przykłady magazynowania chłodu pod postacią bloków lodu, śniegu
3
1
2
4
snow storage (Sundsvall Hospital)
1.Magazyn w budynku
2.Magazyn z warstwą izolacyjną
3.Magazyn z warstwą izolacyjną
i zagłębiony w gruncie
4.Magazyn pod ziemią
Centrum Badawcze PAN w Jabłonnej
nowoczesne podejście do interdyscyplinarnego projektowania budynków- budynek plus energetyczny
Skwantyfikowanie informacji – dolne źródło
Dolne źródło pompy ciepła
Sondy pionowe
Dolne źródło
70 kW moc chłodnicza p.c.
2300 m odwiertu
Sonda pionowe
zamknięte
Sonda CO2
100 m3
2 zbiorniki 50 m3
Ciepło + chłód
Sonda spiralna
Magazyn energii
Cieplnej typu BTES
Płot energetyczny
Zbiornik lodowy
Pale energetyczne
Sonda otwarta
Magazynowanie energii
zbiorniki typu TTES
100 kW
- moc magazynu
260 GJ
-ilość energii cieplnej
Przypowierzchniowe
Podgrzewanie gruntu
(parking+chodniki)
1500 m2 pow.
2500 m odwiertu
"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 m2)
rocznie zużywa 28 kWh/m2 energii (budynek tradycyjny – 247 kWh/m2).
Radykalne zmniejszenie
zapotrzebowania na ciepło było możliwe dzięki zastosowaniu starannie dobranych materiałów budowlanych
oraz zwartej bryły budynku.
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 ?
Dziękujemy za uwagę
WYBÓR NALEŻY DO NAS
POLSKIE STOWARZYSZENIE POMP CIEPŁA
www.pompaciepla.org.pl