Magazyny ciepła i chłodu - czeka nas rozwój technologii?

Magazynowanie energii ze źródeł odnawialnych - jakie wyzwania?

Zwiększenie udziału źródeł odnawialnych w energetycznej gospodarce zarówno w skali całej Unii Europejskiej, jak i każdego państwa członkowskiego z osobna, jest jednym z głównych celów wspólnoty na drodze procesu transformacji energetycznej. Dlaczego to właśnie produkcja i wykorzystanie energii leżą u podstaw założeń zmierzających do powstrzymania negatywnych zmian klimatycznych? Ponieważ to te aspekty odpowiadają za 79% emisję gazów cieplarnianych na terenie UE. Co niezwykle ważne, zdecydowaną większość w tym procencie stanowią gazy emitowane podczas transportu i dostaw energii. Drogą do oczekiwanych zmian jest przede wszystkim stopniowe odchodzenie od paliw kopalnianych na rzecz odnawialnych źródeł energii. Okazuje się jednak, że każde rozwiązanie problemu niesie ze sobą kolejne wyzwania, a w tym obszarze jednym z nich jest zagadnienie magazynowania energii, które niektórzy eksperci nazywają wręcz “podstawą transformacji energetycznej”.

Wiele osób kojarzy magazynowanie energii jedynie z bateryjnymi systemami przechowywania prądu. Tymczasem istnieje naprawdę sporo technologii, które umożliwiają gromadzenie różnych typów energii do wykorzystania w późniejszym czasie. Niektóre z tych technologii już teraz oferują gotowe, optymalne rozwiązania, inne znajdują się dopiero w fazie testów i potrzebują systemowego wsparcia. Do najważniejszych wyzwań, jakie stawia sobie UE w obszarze magazynowania energii należą między innymi (Źródło: Dokument analityczny - EU support for energy strorage):

• wspieranie badań i innowacji w rozwoju wspomnianych technologii;
• usuwanie przeszkód napotykanych przez inwestorów;
• zapewnienie spójnej strategii unijnej;
• zwiększenie wsparcia ze strony zainteresowanych podmiotów.

W odniesieniu natomiast do samej technologii magazynowania za jedne z największych wyzwań uznaje się wydłużenie czasu przechowywania energii oraz jej wolumenu. Obecnie obserwujemy dynamiczny rozwój takich rozwiązań, jak choćby elektrownie szczytowo-pompowe, magazynowanie energii w postaci wodoru, czy sprężonego powietrza, a także szereg systematycznych ulepszeń w kategorii akumulatorów. Wydaje się jednak, że jednym z najbardziej obiecujących rozwiązań w zakresie sezonowości przechowywania energii mogą być magazyny ciepła i chłodu. Na czym polega ta technologia i jakie możliwości oferuje?

Magazyn ciepła i chłodu - co to jest i jak działa?

W odniesieniu do transformacji energetycznej, odejściu od paliw kopalnianych na rzecz odnawialnych źródeł energii częściej mówi się o kluczowych zmianach w sektorze energii elektrycznej, rzadziej natomiast o ciepłownictwie. Jest to oczywiście zbyt wąska perspektywa, gdyż obydwa te sektory są ze sobą ściśle powiązane, szczególnie w obliczu rosnącej popularności pomp ciepła i innych form elektrycznego ogrzewania gospodarstw domowych i przedsiębiorstw. Biorąc dodatkowo pod uwagę prognozy sukcesywnych podwyżek cen prądu, magazyny ciepła i chłodu mogą się już niedługo stać jednym z kluczowych łańcuchów dostaw energii z elektrociepłowni, a także umożliwiać prywatnym prosumentom zmierzanie w kierunku osiągnięcia niezależności energetycznej.

Magazyn ciepła i chłodu (ang. TES - Thermal Energy Storage) to instalacja, która umożliwia zarówno krótkoterminowe (kilka dni), jak i długoterminowe (sezonowe) przechowywanie ciepła pozyskanego w ciepłe miesiące roku oraz chłodu pozyskanego w jego zimniejszym okresie. W odniesieniu do sezonowych magazynów ciepła używa się również określenia STES (ang. Seasonal Thermal Energy Storage). W jaki jednak sposób ciepło trafia do magazynu? Na przykład dzięki wykorzystaniu fotowoltaiki i specjalnego systemu konwertującego pozyskaną przez nią energię elektryczną w energię cieplną. Następny krok to przekazanie jej do magazynu, w którym może być przechowywana nawet przez kilka miesięcy do temperatury średnio plus 90 stopni Celsjusza (istnieją magazyny, które mogą przechowywać energię o temperaturze do nawet 500 stopni Celsjusza).

W momencie powstania zapotrzebowania na wykorzystanie energii cieplnej, jest ona pobierana z magazynu i przekazywana do pompy ciepła, która rozprowadza ją w budynku. Jeżeli chodzi natomiast o chłód, to gromadzony jest on w miesiącach zimowych na najniższych poziomach magazynu (gruntowego) do temperatury nawet minus 40 stopni Celsjusza. W miesiącach letnich może być wykorzystywany w klimatyzacji do schłodzenia pomieszczeń. Poniżej uproszczony schemat działającego na podobnych zasadach magazynu ciepła typu CTES - kawernowego.

Opracowanie: enerad.pl na podstawie magazyncieplasystemowego.pl

Magazyny ciepła stają się coraz bardziej popularnym rozwiązaniem u naszych zachodnich sąsiadów. Tam, coraz więcej prywatnych inwestorów decyduje się na wdrożenie tej technologii w swoim gospodarstwie domowym. Budowa magazynu ciepła jest jednak sporym przedsięwzięciem dlatego zdecydowanie częściej takie rozwiązania pojawiają się w systemach ciepłowniczych zasilających całe osiedla mieszkaniowe, budynki użyteczności publicznej lub po prostu wspierają funkcjonowanie i wydajność elektrociepłowni. Trzeba jednak wiedzieć, że istnieje przynajmniej kilka technologii magazynowania ciepła, co sprawia, że już niedługo mogą być one stosowane na szerszą skalę bez względu na status inwestora.

Rodzaje magazynów ciepła - czym się różnią?

Idea magazynowania energii cieplnej do jej późniejszego wykorzystania nie jest bynajmniej nowa i na przestrzeni ostatnich lat powstało wiele pomysłów optymalizujących jej zastosowanie w różnej skali - od elektrociepłowni, przez przedsiębiorstwa, na prywatnych nieruchomościach kończąc. Podstawowym podziałem systematyzującym rodzaje magazynów ciepła jest wyróżnienie magazynów UTES (ang. Underground Thermal Energy Storage), które funkcjonują poniżej linii gruntu oraz magazynów TTES (ang. Tank Thermal Energy Storage) opierających swoje działanie na naziemnych zbiornikach wodnych zbudowanych z żelbetu wzmocnionego tworzywem sztucznym.

Magazyny ciepła – podział; opracowanie: enerad.pl na podstawie cire.pl

Magazyny ciepła i chłodu, które zlokalizowane są pod powierzchnią gruntu (UTES) różnią się między sobą dodatkowo nośnikiem energii cieplnej, a więc strukturą, która ma za zadanie kumulowanie ciepła o określonej temperaturze. Wśród magazynów tych wyróżnia się między innymi:

• • BTES (ang. Borehole Thermal Energy Storage) - gruntowy akumulator ciepła i chłodu, który cieszy się obecnie największą popularnością w Europie. Za podłoże w przypadku tego magazynu mogą służyć skały lub wilgotne gleby (najlepiej gliniaste). Energia cieplna dostarczana na przykład przez pompę ciepła kumulowana jest w pionowych wymiennikach ciepła typu “U”, które umieszcza się na głębokości od 30 do nawet 200 metrów poniżej linii gruntu. Czynnikami, które są kluczowe w procesie magazynowania energii w technologii BTES są dyfuzyjność, pojemność cieplna oraz przewodność cieplna gruntu.

• • ATES (ang. Aquifer Thermal Energy Storage) - akumulator energii ciepła i chłodu wykorzystujący naturalne warstwy wodonośne występujące pod ziemią. Zbudowane są one ze skał, wapieni, piasków i żwirów, a ciepło kumulowane jest zarówno w wodzie, jak i w gruncie. Idealnym rozwiązaniem dla tego rodzaju magazynu jest brak przepuszczalności ze strony warstw wodonośnych. Konstrukcja magazynu obejmuje dwie studnie (lub zespoły studni o różnej głębokości). Z jednej z nich w miesiącach letnich pobierana jest woda, którą ogrzewa się np. w kolektorach słonecznych. Następnie wtłaczana jest ona do drugiej studni. Pomiędzy zbiornikami wytwarza się wówczas przemieszczający się front termalny.

• • PTES (ang. Pit Thermal Energy Storage) - strukturami kumulującymi energię cieplną w przypadku tego magazynu są woda oraz żwir. Magazyn typu PTES zagłębiony jest w gruncie i uszczelniony tworzywem sztucznym (folią). Celem uszczelnienia izolacji i uzyskania lepszych warunków przechowywania energii cieplnej, magazyn zabudowuje się od góry. Dużą zaletą tego rodzaju akumulatorów jest możliwość uzyskania wyższej temperatury niż ma to miejsce w przypadku magazynów wodnych.

• CTES (ang. Cavity Thermal Energy Storage) - jest rodzaj magazynów nazywanych inaczej kawernowymi. Kawerna to komora skalna występująca naturalnie lub specjalnie drążona dla celów kumulowania energii cieplnej w wodzie. Magazyny typu CTES często współpracują z panelami słonecznymi, które ogrzewają wodę wprowadzaną do górnych części zbiornika. Zimna woda osiada natomiast w niższych warstwach kawerny na skutek różnic gęstości. Bardzo ważne w tego typu magazynach jest zachowanie stratyfikacji temperatury wewnątrz zbiornika. Akumulatory te mogą kumulować energię cieplną o temperaturze od -40 do +90 stopni Celsjusza.

Rodzaje magazynów ciepła; Źródło: cire.pl

Magazyny ciepła i chłodu wykorzystujące PCM

Niezwykle ciekawą i wciąż rozwijającą się technologią magazynowania ciepła i chłodu, jest wykorzystywanie do tego celu materiałów zmiennofazowych PCM (ang. Phase Changing Materials). Zazwyczaj są to hydrolaty soli lub parafiny zamknięte w plastikowych mikrokapsułkach. Właściwością tych substancji jest między innymi zdolność do zmiany stanu skupienia w określonej temperaturze i tym samym do pochłaniania znacznie większych ilości energii cieplnej od standardowych materiałów konstrukcyjnych używanych do wykończenia budynku. Wspomniane mikrokapsułki dodawane są na przykład do zaprawy tynkowej, płyt konstrukcyjnych czy wylewki stosowanej pod posadzkę. Po osiągnięciu określonej temperatury substancja zawarta w kapsułkach zamienia się w płyn, by następnie po obniżeniu temperatury zacząć stopniowo oddawać ciepło. Oczywiście nie wpływa to w żaden sposób na właściwości konstrukcyjne zastosowanych materiałów budowlanych.

Materiały zmiennofazowe gromadzą bardzo duże ilości energii cieplnej i oddają ją stopniowo, dlatego też można je stosować jako komponent niektórych systemów grzewczych, na przykład ogrzewania podłogowego. Celem efektywnego wykorzystywania właściwości materiałów PCM niezbędne jest zadbanie o odpowiednią izolację termiczną budynku i jego wysoki standard energetyczny.

Technologia magazynowania ciepła - przykłady wykorzystania

Technologia magazynowania ciepła wciąż się rozwija, jednak ze względu na towarzyszące jej ograniczenia nie jest jeszcze na znaczącą skalę stosowaną w gospodarstwach domowych. Oczywiście każdego roku pojawiają się rozwiązania optymalizujące na przykład w kontekście wydajności tego sposobu magazynowania energii. Tym niemniej już teraz można wskazać wiele przykładów efektywnego wykorzystania różnych rodzajów magazynów ciepła i chłodu w przemyśle, ciepłownictwie, czy prywatnych nieruchomościach. Niektóre z nich to na przykład:

• • Elektrociepłownia EC-Karolin (Veolia Energia Poznań) - na terenie zakładu wybudowano magazyn ciepła mogący pomieścić 24 tys. metrów sześciennych wody, co przekłada się na produkcję 1,2 tys. MWh energii. Inwestycja ta pozwoli w długiej perspektywie rozsądnie gospodarować surowcami oraz zmniejszyć emisję dwutlenku węgla do atmosfery o 24 tys. ton rocznie!

• • Mazowieckie Centrum Psychiatrii “Drewnica” - pierwszy w Polsce i wówczas (2014 r.) jeden z niewielu magazynów ciepła w Europie powstał w Ząbkach koło Warszawy. Instalacja została wykonana przez firmę Mostostal Warszawa i oprócz zbiornika magazynującego, uruchomiono minifarmę kolektorów słonecznych, zmodernizowano kotłownię, wykonano przyłączenia i zainstalowano pompę ciepła. Magazyn miał wówczas pojemność 800 m sześciennych.

• Autonomiczny dom w Podzamczu pod Chęcinami - budynek pokazowy, który wykorzystuje hybrydowe panele fotowoltaiczne. Nadwyżki energetyczne są w nim odprowadzane sondami na głębokość 5 m pod budynkiem. Choć dom ma jedynie 70 mkw powierzchni, to korzysta z magazynu ciepła o masie setek ton. Zgromadzona w nim w lecie energia cieplna wystarcza do ogrzania nieruchomości przez całą zimę.

Magazyn ciepła, fotowoltaika i pompa ciepła - czy to połączenie ma przyszłość?

Wykorzystanie magazynów ciepła i chłodu ma największy sens wówczas, gdy współpracują one z odnawialnymi źródłami energii. Tylko w ten bowiem sposób można mieć swój wkład w procesie transformacji energetycznej, a także zwiększać niezależność energetyczną we własnym interesie. Magazynowanie ciepła przy odpowiedniej optymalizacji systemu może stanowić doskonałe rozwiązanie uzupełniające korzyści płynące z użytkowania instalacji fotowoltaicznej oraz pompy ciepła. W obliczu obowiązujących cen prądu i cen gazu oraz zapowiadanych przez ekspertów sukcesywnych podwyżek w tych obszarach przez kolejne lata, świadomi sytuacji prosumenci powinni poszukiwać kolejnych rozwiązań mających na celu zapewnienie im energetycznej niezależności nie tylko w kontekście energii elektrycznej, ale i cieplnej.

Jednym z najprostszych przykładów współpracy pomiędzy magazynem ciepła a instalacją fotowoltaiczną i pompą ciepła jest sytuacja, w której pompa zasilana jest energią elektryczną wytwarzaną przez panele słoneczne i wykorzystywana choćby do podgrzewania wody użytkowej lub tej do C.O. Wówczas inwestując w dodatkowy zbiornik funkcjonujący jako magazyn energii cieplnej, a właściwie bufor ciepła można po odpowiednim jego zaizolowaniu przez długi czas korzystać z ciepłej wody bez konieczności jej ponownego podgrzewania. Warto w tym miejscu wspomnieć, że sprawność takiego systemu może wynosić od 60 do nawet 95 procent. Optymalizacja domowego systemu energetycznego to obecnie jedyny słuszny kierunek inwestycji prosumenckich.

Dofinansowanie do magazynu ciepła - jakie możliwości?

Okazuje się, że możliwości, jakie w zakresie magazynowania energii otwierają magazyny ciepła stają się coraz bardziej zauważalne w polskim sektorze energetycznym. Czwarta, a obecnie już piąta edycja programu Mój Prąd objęła bowiem dotacjami również tego typu instalacje. Ze wsparcia mogą skorzystać osoby, które produkują ciepło na własne potrzeby, a dofinansowanie mogą otrzymać na:

• Zakup i montaż magazynu ciepła – czyli zasobników CWU zasilanych pompą ciepła lub kotłem elektrycznym, zasobników CWU z grzałką elektryczną, a także buforów ciepła z grzałką elektryczną, buforów zasilanych pompą ciepła lub kotłem elektrycznym, buforów ciepła z zasobnikiem CWU (będących jednym urządzeniem), pomp ciepła do CWU z zasobnikiem (oddzielnym lub zintegrowanym). Minimalna pojemność zbiornika lub bufora musi wynieść 20 dm3 (20 litrów).

Na jaką maksymalną wysokość dofinansowania mogą liczyć inwestorzy decydujący się na zakup i montaż magazynu ciepła spełaniającego powyższe warunki? Instalacja taka jest kwalifikowana jako urządzenie zwiększające autokonsumpcję samodzielnie wytworzonej energii i na jej uruchomienie można otrzymać do 5.000 zł dotacji, jednak nie więcej niż 50% kosztów kwalifikowanych przedsięwzięcia.

Nabór do Mój Prąd 5.0 trwa od 22.04.2023 roku i potrwa do 22.12.2023 roku lub do wyczerpania środków.

Magazyny ciepła i chłodu - zalety i wady

Technologia magazynowania ciepła i chłodu uważana jest przez ekspertów branży za niezbędną w efektywnym energetycznie i ekonomicznie wykorzystywaniu odnawialnych źródeł energii. W obliczu przetestowania wielu sposobów na magazynowanie ciepła i uzyskaniu w tym obszarze pozytywnych doświadczeń użytkowników, zastanawiającym może się wydawać fakt wciąż znikomego wykorzystania tej technologii zarówno przez podmioty komercyjne, jak i prywatne. Warto zatem przyjrzeć się bliżej zaletom i wadom, jakimi mogą być obarczone magazyny ciepła i chłodu. Do zalet z pewnością można zaliczyć między innymi:

• znaczącą redukcję emisji gazów cieplarnianych, szczególnie w przypadku elektrociepłowni;
• wsparcie dla rozwoju budownictwa pasywnego;
• podwyższenie standardów energetycznych budynków prywatnych i komercyjnych;
• istotne oszczędności w procesie produkcji, dystrybucji i zakupu energii cieplnej;
• zwiększenie autokonsumpcji energii pozyskiwanej z fotowoltaiki;
• wsparcie dążeń do niezależności energetycznej i wiele innych.

Do podstawowych wad magazynów ciepła i chłodu zaliczana jest ich niewystarczająca efektywność w stosunku do kosztów inwestycji. Trzeba jednak pamiętać, że technologii magazynowania energii cieplnej jest naprawdę sporo i wiele z nich jest na bieżąco rozwijanych. Warto w ramach podsumowania przytoczyć słowa prezesa Instytutu Energetyki Odnawialnej, pana Grzegorza Wiśniewskiego, który mówi:

Kluczowym elementem, umożliwiającym szerokie wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych w ciepłownictwie, jest sezonowy magazyn ciepła. Taki magazyn pozwala efektywnie wykorzystywać energię z tzw. pogodowo-zależnych OZE i pomaga w wyrównywaniu podaży i zapotrzebowania na ciepło w okresie letnim i zimowym.

Z pewnością już dziś każdy prosument, elektrociepłownia, czy instytucja użyteczności publicznej byłaby w stanie znaleźć rodzaj magazynu ciepła i chłodu, który okazałby się efektywny i opłacalny w przypadku danego podmiotu. Wystarczy jedynie sprawdzić możliwości rynkowe w tym obszarze.