Magazynowanie energii cieplnej – rozwiązania i trendy

Okiem eksperta

Emilia Basta, Inżynier systemów ekoenergetycznych

Energia cieplna nazywana jest często także energią termiczną, ponieważ w wyniku ruchu cząsteczek lub atomów składających się na dany układ fizyczny, zostaje wytworzone ciepło. Ciepło powstaje w wyniku spalania paliwa, ale także wykorzystania w tym celu innych źródeł energii.

Jak magazynować energię cieplną?

Ciepło odpadowe pochodzi z dowolnych procesów technologicznych, źródeł geotermalnych czy odnawialnych źródeł energii. Tak pozyskana energia cieplna może być zmagazynowana w urządzeniach, które są nazywane zasobnikami ciepła (ang. Thermal Energy Storages, w skrócie TES).

Zasobniki magazynują energię cieplną, którą z definicji można podzielić na trzy kategorie, różniące się od siebie zakresami temperaturowymi medium ją magazynującego. Niskotemperaturowe systemy, są w stanie zmagazynować ciepło do 120°C, średniotemperaturowe w zakresie od 120 do 500°C oraz wysokotemperaturowe powyżej 500°C.

Dodatkowo ciepło może być magazynowane poprzez wykorzystanie:

  • Ciepła właściwego ? stanowi ono najprostszy oraz najtańszy sposób magazynowania. Energię tą można magazynować zarówno w cieczach, jak i ciałach stałych.
  • Ciepła przemian fazowych ? PCM (ang. Phase Change Material) ? także organicznych (parafiny, kwasy tłuszczowe, ciecze jonowe) oraz nieorganicznych (uwodnione sole). Są to substancje zmiennofazowe, które mają za zadanie absorbować, akumulować i uwalniać energię w zakresie temperatury przemiany fazowej. Podczas przemiany fazowej mogą być pochłaniane lub wydzielane znaczne ilości ciepła przy praktycznie niezmiennej temperaturze złoża.
  • Ciepła przemian chemicznych ? magazynowanie energii cieplnej w postaci chemicznej.  Proces przebiega pod wpływem zachodzącej reakcji chemicznej, podczas której może wydzielać się ciepło (reakcje egzotermiczne) lub też w celu uzyskania tego typu reakcji należy dostarczyć ciepło z zewnątrz (reakcje endotermiczne). Uzyskaną energię uwalnia się w reakcji egzotermicznej. Przykładem tego typu reakcji jest uzyskiwanie ciepła z wykorzystaniem wodoru.


TES umożliwia także przechowywanie ciepła lub chłodu w celu ich późniejszego wykorzystania. Najprostszym przykładem takiego działania jest gromadzenie ciepła promieniowana słonecznego i jego zużycie w zimie oraz przechowywanie chłodu powstałego w zimie w celu wykorzystania go w lecie.

Działanie magazynów energii

Na poniższym schemacie przedstawiono przykładowy sposób wytwarzania energii cieplnej wraz z jej magazynowaniem.

Działanie magazynów ciepła; Źródło: magazyncieplasystemowego.pl

Energia wytwarzana przez promieniowanie słoneczne i konwertowana poprzez panele trafia do magazynu energii, gdzie jest przechowywana. Następnie z magazynu, w zależności od zapotrzebowania trafia do odbiorców zewnętrznych, jakimi są gospodarstwa domowe oraz instytucje publiczne.

Magazynowanie ciepła pozwala na przechowywanie ciepła lub też chłodu i ich późniejsze wykorzystanie do celów użytkowych. Przykładem może być  elektrociepłownia EC-Karolin Veolia. Buduje ona akumulator ciepła umożliwiający zmagazynowanie ponad 1,2 tys. MWh energii.


Jaki magazyn ciepła wybrać?

Ogólny podział magazynów ciepła wygląda następująco:

Podział magazynów ciepła; Źródło: globenergia.pl

Magazyny ciepła w podstawowym podziale dzielą się na:

1. UTES (ang. Underground Thermal Energy Storage) ? podziemny zasobnik ciepła, który dzieli się na:

  1. BETS (ang. Borehole Thermal Energy Storage) ? akumulator gruntowy,
  2. ATES (ang. Aquifier Thermal Energy Storage) ? akumulator w warstwie wodonośnej,
  3. PTES (ang. Pit Thermal Energy Storage) ? akumulator wodno ? żwirowy zagłębiony w grunt,
  4. CTES (ang. Cavity Thermal Energy Storage) ? akumulator kawernowy (skalny),

2. TTES (ang. Tank Thermal Energy Storage) ? zbiorniki wodne.

W jaki sposób dokonać wyboru odpowiedniego magazynu dla nas? Należy zwrócić uwagę przede wszystkim na to, do czego potrzebujemy akumulatora energii cieplnej oraz jaką ma mieć pojemność. Poniżej została przedstawiona charakterystyka wymienionych powyżej magazynów.

Magazyny TTES

Magazyny TTES  są najbardziej popularnymi i dostępnymi na rynku magazynami energii cieplnej. Pracują one w trzech fazach. Fazie pierwszej ? ładowania, fazie drugiej ? przechowywania energii cieplnej, oraz fazie trzeciej ? rozładowywania.

Dodatkowo magazyny tego typu mogą działać zarówno krótko, jak i długoterminowo. Krótkoterminowe magazyny mogą zagwarantować nawet do 90% zapotrzebowania na ciepło, natomiast długoterminowe (sezonowe) mogą osiągnąć wynik od 50 do 70%. Z powodu specyfiki tego typu magazynów są one chętnie wykorzystywane w gospodarstwach domowych oraz instytucjach publicznych.

W zbiornikach TTES czynnik akumulacyjny stanowi woda. Energia cieplna jest pobierana lub ładowana przez pompowanie gorącej wody bezpośrednio, lub za pomocą wymienników ciepła. Często jest to wykorzystywane jako elementy obiegów hydraulicznych elektrociepłowni.

W tym układzie wykorzystywane jest także zjawisko stratyfikacji temperatury. Polega ono na gromadzeniu się lżejszej gorącej wody na górze zbiornika, a cięższej zimnej w jego dolnej części. Pomiędzy tymi warstwami przebiega termoklina oddzielająca warstwy wody. Z upływem czasu termoklina ulega rozszerzeniu (mieszanie się warstw) i wydajność systemu może ulec pogorszeniu.

Magazyny BITES

Biorąc pod uwagę teren całej Europy, to sympatię zdobyły akumulatory gruntowe BITES. Ciepło w tego typu magazynach jest gromadzone bezpośrednio w gruncie, a ładowanie i rozładowanie następuje za pomocą systemu pionowych wymienników ciepła typu ,,U”.

Umieszczane są one od 30 do 200 metrów poniżej gruntu. Pobieranie ciepła z gruntu zapewnia pompa ciepła. Dzięki szczelinie pomiędzy odwiertem a wymiennikiem wypełnionym bentonitem, charakteryzującym  się dobrą przewodnością cieplną, następuje przepływ gorącego czynnika przez wymienniki oddający ciepło do gruntu i ogrzewa go, bądź ochładza.

Zaletą magazynów BTES jest możliwość ich rozbudowy wraz ze wzrostem zapotrzebowania na gromadzone ciepło. Dodatkowe sekcje wymienników mogą być w prosty sposób podłączone do istniejącej instalacji.

Niestety, aby magazyny BITES były w stanie uzyskać taką samą pojemność cieplną jak magazyny TTES, muszą mieć one od 3 do 5 razy większą pojemność. Ponadto do wad można zaliczyć wysokie koszty związane z dokonywaniem odwiertów.

Magazyny ATES

Do kolejnego rodzaju magazynów ciepła można zaliczyć akumulatory ATES. Wykorzystują one naturalne, podziemne warstwy wodonośne, gdzie ciepło magazynowane jest zarówno w wodzie, jak i otaczającym gruncie.

Latem woda z jednego zespołu jest pobierana oraz ogrzewana, np. przez kolektory słoneczne z wykorzystaniem wymienników ciepła, i zatłaczana do drugiego zespołu studni. Między nimi tworzy się front termalny, który przemieszcza się wraz z rosnącą lub malejącą temperaturą.

W okresie grzewczym woda jest pobierana z warstwy ogrzanej latem i kierowana do wymienników, gdzie się ochładza, a następnie jest wtłaczana do drugiego zespołu studni bez jakichkolwiek zanieczyszczeń.

W przypadku magazynowania wody w wyższej temperaturze rezerwuar ciepła musi znajdować się na większej głębokości oraz powinien zostać zaizolowany warstwą ziemi. Niestety możliwość budowy magazynu ATES jest uzależniona od występowania odpowiednich warstw wodonośnych.

Magazyny CTES

Można także wyróżnić przechowywanie ciepła w kawernach, w komorach skalnych (CTES). System ten polega na wtłaczaniu gorącej wody pod powierzchnię ziemi w wydrążone lub naturalne zbiorniki podziemne.

Komora, wypełniona wodą stanowi podstawę akumulatora warstwowego, w którym na skutek różnicy gęstości woda zimna zajmuje niższe warstwy, a woda gorąca warstwy górne.  Przy dłuższym okresie przechowywania warstwy mieszają się ze sobą i temperatura się uśrednia.

Na początku, podczas ładowania magazynu CTES woda gorąca jest wprowadzana w górnej części zbiornika, a woda zimna zostaje pobrana z warstw dolnych, zachowując stratyfikację temperatury w kawernie.  Jednak akumulatory tego typu są bardzo kosztowne, ze względu na sposób wykonania i utrzymania sprawności. Do ich zalet należy przypisać dużą moc cieplną.

Jedną z nowatorskich firm jest Brenmiller, która zamierza wybudować fabrykę magazynów, które do przechowywania energii cieplnej wykorzystują pokruszone skały. Magazyn tego typu wykorzystuje tłuczeń skalny jako materiał do przechowywania energii cieplnej.

Zapewnia to wysoką wydajność i niskie koszty konserwacji instalacji w okresie eksploatacji. Dodatkowo zgromadzone ciepło można następnie przekazywać w postaci pary do produkcji energii elektrycznej lub gorącej wody, niezbędnych w procesach technologicznych.

Magazyny PTES

Magazyny cieplne wykorzystują także wodę i żwir (zagłębione w grunt akumulatory wodno-żwirowe PTES). Zbiorniki instalowane są poniżej poziomu gruntu oraz zaizolowywane są folią. Magazyn ładowany i rozładowywany jest poprzez pompowanie i wypompowywanie z niego wody lub pośrednio przez zespół wymienników rurowych.

Umieszczanie akumulatorów wodno-żwirowych pod powierzchnią ziemi sprawia, że nie dochodzi do ingerencji w krajobraz, zwłaszcza w mieście, ponieważ są one projektowane w różnych kształtach, a najczęściej jako prostopadłościany, walce, ucięte ostrosłupy lub ich połączenie.

Wykorzystanie energii słonecznej

Technologia cieplnego wykorzystania energii słonecznej jest na bardzo zaawansowanym poziomie i staje się coraz bardziej konkurencyjna w stosunku do tradycyjnego ogrzewania.

Zaletą wykorzystywania promieniowania słonecznego do produkcji energii  są przede wszystkim:

  • jej powszechny dostęp,
  • bardzo niskie koszty eksploatacji,
  • brak negatywnych oddziaływań na środowisko,
  • brak wpływu na bilans energetyczny Ziemi.

W przeciwieństwie do źródeł konwencjonalnych energia słoneczna nie wyczerpuje się. Słabymi punktami są na przykład cykliczność dzienna i roczna, zmienna koncentracja i niskie natężenie oraz duże koszty inwestycyjne. 

Nowatorskie sposoby magazynowania energii cieplnej

Oprócz omówionych powyżej sposobów magazynowania energii cieplnej można mówić o próbie wykorzystania w tym celu naturalnych zasobników wodnych, są to tzw. stawy słoneczne.

Stawy słoneczne zaliczane są do niskotemperaturowych aktywnych systemów wykorzystania energii słonecznej. W stawie słonecznym energia nie jest oddawana do otoczenia, ale jest kumulowana.

Stawy słoneczne znajdują zastosowanie do ogrzewania hal sportowych, basenów, szklarni, a także do centralnego ogrzewania budynków mieszkalnych, osiedli oraz dostarczania ciepłej wody użytkowej.

Stawy słoneczne napędzają także elektrownie. Przykładem może być elektrownia w Izraelu o mocy 5  MW oparta na stawie słonecznym o powierzchni 21 hektarów. Znajduje się on w Bet Ha- Arava i był budowany od późnych lat pięćdziesiątych do połowy lat osiemdziesiątych. W latach osiemdziesiątych University of Texas w El Paso również eksperymentował z takim urządzeniem.

Rozróżnia się dwa rodzaje stawów:

  • staw konwekcyjny, w którym straty ciepła z parowania są minimalizowane poprzez przykrycie powierzchni zbiornika, na przykład transparentną folią izolacyjną. Stawy przykrywa się głównie w nocy, kiedy nie ma promieniowania słonecznego,
  • staw bezkonwekcyjny, w którym straty ciepła redukuje się poprzez zapobieganie zjawisku konwekcji. Jest to płytki zbiornik, w którym energia promieniowania słonecznego jest kumulowana poprzez zastosowanie dużego stężenia soli w wodzie. Solanka, nawet ogrzana, ze względu na dużą gęstość gromadzi się na dnie i dzięki temu nie transportuje ciepła mechanizmem konwekcji z dna stawu do powierzchni i otoczenia.

Eksploatacja stawów słonecznych

W zwykłych stawach lub jeziorach ogrzewana woda przez promienie słoneczne jest lżejsza i unosi się do górnych warstw, następnie schładza się w kontakcie z powietrzem. W stawach słonecznych  wodę dodatkowo się zasala, aby energia została zakumulowana w solance.

Stawy słoneczne to przeważnie dość płytkie zbiorniki (1-2 m głębokości) o dużej powierzchni. Zakres temperatur, w jakich eksploatuje się stawy słoneczne, wynosi 50-95°C. Taka postać wody chroni przed zamarzaniem, zapobiega powstawaniu w zbiorniku konwekcji oraz rozwojowi glonów. Aby zasolić zbiornik wodny, można użyć w tym celu takich roztworów jak NaCl i MgCl2.

W stawie słonecznym można wydzielić trzy warstwy:

  • powierzchniową (izolującą), o temperaturze wynoszącej około 30°C. Strefa ta jest najbardziej  zależna od temperatury powietrza,
  • pośrednią (buforową),
  • przydenną (akumulacyjną), w warstwie przydennej, gdzie występuje wysoka temperatura (nawet do 100°C) oraz największe stężenie soli.

Sposób uzyskiwania energii cieplnej w stawie słonecznym przedstawiono na schemacie poniżej.

Schemat pozyskiwania energii cieplnej w stawie słonecznym; Źródło: www.oxyfuel.eu

Promieniowanie słoneczne wnika w głąb wody i jest absorbowane przez zaczernione dno, w wyniku tego temperatura warstwy przydennej jest wyższa od pozostałej cieczy.  Warstwa powierzchniowa, której głębokość sięga od 0,3 do 0,5 m, ma najmniejsze stężenie solanki oraz najniższą temperaturą w całej grubości warstwy. Następuje wymiana ciepła z otoczeniem przez konwekcję oraz parowanie wody.

W warstwie pośredniej, o głębokości od 0,8 do 1,2 m wraz ze wzrostem głębokości następuje stopniowy przyrost stężenia oraz temperatury. Warstwa ta przepuszcza promieniowanie słoneczne do warstwy przydennej oraz  izoluje dwie skrajne warstwy i zapobiega mieszaniu się wody.

Warstwa przydenna o głębokościach od 1 do 7 m jest najbardziej zasolona, tym samym posiada największą gęstość. Warstwa ta akumuluje ciepło, które przenika przez górne warstwy.

Podgrzana solanka ma gęstość większą od gęstości wody, więc utrzymuje się na dnie. Pozyskiwanie ciepła ze strefy przydennej (magazynującej) może następować przez wymienniki ciepła ułożone na dnie zbiornika lub przez wymienniki znajdujące się poza zbiornikiem.

Do poprawnego funkcjonowania tego typu instalacji niezbędne jest zapewnienie dużej przejrzystości górnej warstwy. Jest to niezbędne w celu umożliwienia jak najlepszego przenikania promieni słonecznych.

Warstwy powierzchniowe wody stanowią izolację termiczną warstw cieplejszych. Zakumulowana energia jest później odzyskiwana z wykorzystaniem wymienników ciepła lub pomp ciepła. Stężenie soli w wodzie rośnie wraz ze wzrostem głębokości.

Opłacalność innowacyjnego akumulowania energii cieplnej.

Staw słoneczny jest ekonomicznie opłacalnym przedsięwzięciem pod warunkiem, że teren przeznaczony pod budowę zbiornika stanowi płaską powierzchnię, o stałym dostępie do wody oraz dostępnością do niedrogiej soli.

Do prawidłowego działania staw słoneczny wymaga ciągłego dostarczania dużej ilości wody oraz stężonego roztworu solanki w celu zapewnienia odpowiedniego gradientu stężeń. Wymagane jest także oddzielenie zbiornika od gruntu, aby solanka nie przedostawała się do gruntu i nie zanieczyszczała wód gruntowych.

Najlepsze warunki występują na terenach pustynnych i blisko wybrzeża. W Polsce niestety system ten nie jest tak dobrze rozwinięty i nadzorowany jak w innych państwach. Potencjał stanowią stanowiska na wybrzeżu Bałtyku, w północnej Polsce.

Zaletą wykorzystania stawu słonecznego są mniejsze straty ciepła do otoczenia niż w przypadku kolektora słonecznego oraz większa moc i sprawność. Dodatkowo stawy słoneczne zdolne są do magazynowania ciepła przez długi czas, nawet do kilku miesięcy.

Stawy słoneczne mogą być także wykorzystywane do ogrzewania budynków, wody użytkowej oraz wytwarzania energii elektrycznej przez obieg Rankine’a. Minusem jest konieczność utrzymywania odpowiedniego wskaźnika stężeń. Należy wziąć także pod uwagę, że w przypadku stawów słonecznych, koszty inwestycyjne są dużo wyższe niż na przykład w stosunku do kolektorów słonecznych.


Emilia Basta

Inżynier systemów ekoenergetycznych i magister technologii produkcji oraz eksploatacji systemów technicznych. Aktywnie uczestniczy w Międzynarodowych Konferencjach Naukowych oraz publikuje artykuły naukowe, związane z tematyką inżynierii środowiska i energetyki.

1 KOMENTARZ

  1. Ideałem byłby system magazynujacy energię latem, gdy mamy jej nadmiar, a oddający zimą. Tylko że przy długotrwałym magazynowaniu trudno uniknać strat. Taki warunek spełniałyby wymienione systemy oparte na cieple przemian chemicznych i częściowo na cieple przemian fazowych.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

Najnowsze

PARTNERZY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE

Najnowsze

PARTNERZY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE