1 1 Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES) dla NAUCZYCIELI Miguel Ramirez Dr. Shane Colclough Prof. Neil J Hewitt

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 2

3 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

4  Magazynowanie zimna w okresie zimowym do użytku w lato  Magazynowanie ciepła w okresie letnim do użytku w zimę 4 Co to jest STES?

5 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

6 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

7 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

8  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.  Rzymianie W I w.n.e. używali studni i śniegu, do zachowania odpowiedniej temperatury jedzenia i wina podczas gorących dni.  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, Anglia- Glen River, Irlandia Płn.) 8 Historia STES -Zimno Source: Griffiths & Colclough Source: awesci.com

9  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 Historia STES -Ciepło

10 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

11 Jak to działa? - ELEMENTY Źródło ciepła Energia słoneczna Przemysłowe ciepło odpadowe Magazyn Ciepła Duża pojemność cieplna Duża objętość Niskie straty cieplne System pomocniczy i dystrybucyjny Kocioł, Pompa cieplna Siatka systemu cieplnego 11

12 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

13 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

14 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

15 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 Jak to działa- KONFIGURACJA  Szeregowa/ Równoległa

16 PRZYKŁAD SZEREGOWEGO I RÓWNOLEGŁEGO TRYBU PRACY STES (EINSTEIN PLANTS CASE) 16

17 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) Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy 17

18 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) T STES > 50°C Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy 18

19 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 < T STES < 50°C Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy 19

20 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) T STES < 10°C Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy 20

21 21 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. Jak to działa – Szeregowy/ Równoległy

22 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

23 Ciepło utajone Ciepło chemiczne Ciepło jawne 23 Sposoby magazynowania energii cieplnej

24 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)  Magazynowanie energii utajonej Sposoby magazynowania energii cieplnej 24

25 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). Sposoby magazynowania energii cieplnej  Magazynowanie termochemiczne 25

26 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. Sposoby magazynowania energii cieplnej  Magazynowanie energii jawnej 26

27 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

28 Q= m·c p ·ΔΤ Q: Ilość magazynowanej energii cieplnej m: Masa substancji używana do magazynowania ciepła c p : Właściwa pojemność cieplna magazynowanej substancji ΔT: Różnica temperatury substancji magazynującej przed i po ładowaniu zbiornika 28 Jaka ilość energii może być magazynowana

29 Przykład: Kolektory słoneczne grzeją 100 m 3 wody z 25 do 50 °C, która jest magazynowana w izolowanym zbiorniku. Jaka ilość energii jest zmagazynowana w wodzie? Q = m·c p ·ΔΤ m = ρ·V = 1000kg/m 3 x100m 3 = 100000kg c p = 4.18 kJ/kg·K) ΔΤ= 25°K Q= 100000 x 4.18 x 25 = 10450 MJ = 2.9 MWh 29 Jaka ilość energii może być magazynowana (D1.3)

30 Zbiornik z wodą do magazynowania energii cieplnej (HW) Basenowy magazyn energii cieplnej (PTES) Odwiertowy magazyn energii cieplnej (BTES) Magazyn energii cieplnej wykorzystujący wodonośne warstwy (ATES) ~70 kWh/m³ 1) ~55 kWh/m³ 2) 15-30 kWh/m³ 30-40 kWh/m³ 1) max =90 °C, min =30 °C bez pompy ciepła 2) max =80 °C, min =10 °C żwirowo-wodna TES z pompą ciepła Jaka ilość energii może być magazynowana (D 3.1,3.2) 30

31 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

32 Gdzie najlepiej stosować? Rodzaj budynku Pojedynczy dom Segmenty mieszkalne Nowy budynek (preferowane) Istniejące budynki Rodzaj ogrzewania System ciepłowniczy Nisko temperaturowy Warunki klimatyczne Umiarkowana różnica temperatur- Lato/Zima Umiarkowane roczne promieniowanie słoneczne 32 Źródło: Asko professionals

33 STES warunki gruntowe Budowa geologiczna Działka do magazynowania Charakterystyka hydrologiczna (warstwy wodonośne) Źródła energii cielnej 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 Gdzie najlepiej stosować? - Rozważania

34 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

35 Jakie są koszty? 35 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

36 Jakie są koszty? 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: 36 TerenObjętość STES {m 3 }Koszty {€}Koszty/m 3 {€} Szwecja2316225705.4348 Polska800 Hiszpania180 Źródło: Solites Przykłady kosztów systemu STES

37 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 37 Source: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016 Jakie są koszty?

38 Przykład mało-skalowej instalacji STES: 10 pomieszczeń z systemem DHW i ogrzewaniem pomieszczeń z STES, w Lysekil, Szwecja 38 OpisBudynek Ilość pomieszczeń10 (4 komercyjne, 6 mieszkalne) Całkowita powierzchnia {m 2 }381 plus 390 = 781 w sumie Powierzchnia solarna {m 2 }50 Dobowe growadzenie {m 3 }3300l STES objętość [m 3 }23 Zapotrzebowanie na ogrzewanie pomieszczeń {kWh} 53,422 DHW zapotrzebowanie energetyczne {kWh}7,417 Całkowity koszt NPV, ponad 40 lat {€}405,415 Okres zwrotu {lata}17 Zwrot w poróSTES27% Budynek odnowiony do standardu domu pasywnego Używanie instalacji solarnej z STES Zwrot kosztów po 17 latach Jakie są koszty?

39 39 Wartość netto kosztów DHW i ogrzewania pomieszczeń Porównanie pomiędzy systemem ciepłowniczym i STES (ze wsparciem DH) Pełne informacje dotyczące analizy (link Del 7.5) Jakie są koszty? Przykład mało-skalowej instalacji STES: 10 pomieszczeń z systemem DHW i ogrzewaniem pomieszczeń z STES, w Lysekil, Szwecja

40 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?

41 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 Jakie są koszty?

42 Centralna instalacja Kolektory słoneczne STES Sieci Ciepłownicze Sieć dystrybucji Ciepła Podstacja Transferu Ciepła Przykłady zastosowań 42

43 Zbiorniki STES pod domem 1 szy Europejski dom w 100% ogrzewany systemem solarnym Oberburg, Szwajcaria Działa od stycznia 1990 43 Przykłady zastosowań Source: Jenni Energietechnik

44 Oberburger Sonnenhaus Pierwsze mieszkania wielorodzinne ogrzewane w całości energią słoneczną. Oberburg, Szwajcaria 276 m² kolektorów słonecznych 205 m³ zbiornik ciepła 44 Przykłady zastosowań Source: Jenni Energietechnik

45  3.000 m²  Płaskie kolektory  4500 m³  Zbiornik wody Hamburg (1996) Friedrichshafen (1996) Neckarsulm (1997) Steinfurt (1998) Rostok (2000) Hanower (2000)  5.900 m²  Płaskie kolektory  63.300 m³  BTES  1.000 m²  Płaskie kolektory  20.000 m³  ATES  4.050 m²  Płaskie kolektory  12.000 m³  Zbiornik wody  510 m²  Płaskie kolektory  1.500 m³  Pit TES (Zwir/ Woda)  1.350 m²  Płaskie kolektory  2.750 m³  Zbiornik wody Przykłady zastosowań Źródło: USTUTT 45

46 Chemnitz, 1. phase (2000) Monachium (2007) Eggenstein (2008) Attenkirchen (2002) Crailsheim (2007)  540 m²  Kolektory próżniowo rurowe  8.000 m³  Pit TES (Zwir/ Woda)  2.900 m²  Płaskie kolektory  5.700 m³  Zbiornik wody  1.600 m²  Płaskie kolektory  4.500 m³  Pit TES (Zwir/ Woda)  800 m²  Dach solarny  9.850 m³  Zbiornik wody & Odwierty  7.500 m²  Płaskie kolektory  37.500 m³  BTES Źródło: USTUTT Przykłady zastosowań 46

47 47 Sezonowe Magazynowanie Energii Cieplnej (STES) dla NAUCZYCIELI Miguel Ramirez Dr. Shane Colclough Prof. Neil J Hewitt