PowerPoint Presentation

• W ostatnich latach obserwuje się wdrażanie coraz

bardziej efektywnych technologii pozyskiwania energii

odnawialnej. W praktycznych zastosowaniach

najpoważniejszym problemem jest sezonowy i losowy

charakter tych źródeł energii. Największe kłopoty przy

praktycznym wykorzystaniu energii słonecznej

powoduje zmienna w czasie intensywność

promieniowania. Produkcja elektryczna w siłowniach

wiatrowych uzależniona jest od zmiennej prędkości

wiatru. Wzajemne dopasowanie wydajności źródła

energii do również zmiennego zapotrzebowania na

energię to właściwie jest problem efektywnego

magazynowania energii. Jednym ze sposobów taniego

magazynowania energii cieplnej w ilości mającej

znaczenie gospodarcze są akumulatory gruntowe.

Historia magazynowania energii

Stosowanie magazynowania energii było znane od wieków, podczas gdy

przemysłowe zastosowania sięgają dopiero XIX wieku.

Początek był niemal przypadkowy. W 1963 r. w Chinach przeprowadzono kilka

eksperymentów ze sztucznym zasilaniem warstwy wodonośnej, aby

zapobiec nadmiernemu obniżaniu się zwierciadła wód podziemnych. Zimą

pompowano wodę do istniejących studni i czerpano ją w lecie, w okresie

największego zapotrzebowania. Przy okazji mierzono temperaturę wody

dostarczanej do studni i wypompowywanej w lecie. Okazało się, że

podczas kilkumiesięcznego magazynowania w gruncie, temperatura wody

niewiele się zmieniła. Czerpana w lecie woda była zimna i nadawała się do

klimatyzacji. Wykonano więc kolejne doświadczenia z magazynowaniem

zimnej wody. W 1965 r. w Szanghaju w 127 zakładach przemysłowych

wprowadzono zimną wodę do gruntu, a w sezonie letnim to samo

uczyniono z ciepłą wodą. Pomyślne wyniki pierwszych eksperymentów

sprawiły, że obecnie w Chinach ta technologia stosowana jest na dużą

skalę. Według publikowanych danych, tylko w Szanghaju w 1980 r.

wprowadzono do warstwy wodonośnej około15 mln m

wody zimnej i około

5 mln m

wody gorącej.

Historia magazynowania energii

cieplnej cd.

Regeneratory do odbioru ciepła gazów spalinowych były

już w użyciu w połowie zeszłego stulecia w procesach

przemysłowych wymagających wysokich temperatur

spalania, więc i wysokich temperatur powietrza. Takie

systemy są nadal obecne w przemyśle metalurgicznym

oraz szklarskim. Obecnie magazynowanie energii

cieplnej jest stosowane w powszechnie w

niskotemperaturowej części układów generujących

parę i otwartych obiegach turbin gazowych.

Zastosowanie magazynowania energii cieplnej do

napędu pojazdów (przez użycie magazynowania

termochemicznego – NaOH) datuje się od roku 1880, w

którym została zbudowana łódź do żeglugi rzecznej w

Szprewie.

Czas magazynowania energii uzależniony od zapotrzebowania oraz od

sposobu jej pozyskiwania. Rozróżnia się magazynowanie krótko i długo

terminowe.

Magazynowanie energii o charakterze krótkotrwałym jest powszechnie

stosowane. Przykładem są domowe bojlery na ciepłą wodę. Magazynowanie

krótkoterminowe umożliwia stosowanie systemów o mniejszej maksymalnej

mocy zainstalowanej. Jednocześnie dzięki możliwości magazynowania

energii, można korzystać z tańszego rozwiązania, np. taryfy nocnej.

Stosowanie długoterminowego magazynowania ciepła, a szczególnie

sezonowego, (które jest najdłużej trwającą formą magazynowania), jest

obecnie znacznie mniej popularne. Powodem tej sytuacji nie jest mały

potencjał techniczny ciepła, nadającego się do długoterminowej akumulacji,

a wręcz odwrotnie w okresie lata istnieją duże nadwyżki niewykorzystanego

ciepła, a w zimie chłodu. Rzeczywiste wykorzystanie i zmagazynowanie

tych nadwyżek jest ograniczone z reguły czynnikami ekonomicznymi, a w

mniejszym stopniu trudnościami technicznymi. Okres ostatnich kilkunastu

lat, to okres rozwoju różnorodnych form magazynowania energii. Okazało

się, że rozwój poszczególnych technik magazynowania zależy przede

wszystkim od lokalnych warunków.

Rodzaje magazynowania. Podział ze

względu na czas.

Ogólne formy magazynowania

energii

Możliwości magazynowania w postaci energii:
- mechanicznej: w akumulatorach inercyjnych,

akumulatorach z wykorzystaniem mechanizmu

podnośnika śrubowego, akumulatorów sprężynowych,

itp.

- chemicznej: wodoru, paliwa, uranu, itp.;
- elektrochemicznej: w akumulatorach ołowiowych, żelazo-

niklowych, niklowo-cynkowych, litowo-siarkowych;

- hydraulicznej: w elektrowniach pompowo-szczytowe;
- pneumatycznej: w zbiornikach z gazem;
- elektrycznej: w kondensatorach;
- magnetycznej;
- cieplnej.

posób magazynowania energii, pojemność

zasobników i ich rozwiązanie konstrukcyjne

mają decydujący wpływ na koszty

inwestycyjne i eksploatacyjne instalacji

słonecznych. Przy projektowaniu instalacji

należy, zatem wyznaczyć:

• niezbędną pewność dostawy ciepła,
• konieczność i możliwość zainstalowania

dodatkowych źródeł ciepła,

• porównawcze koszty otrzymywania energii

ze źródeł dodatkowych i kolektorów

słonecznych.

Magazyny energii

Parametry stosowanych obecnie magazynów energii cieplnej:
Pojemność: 200 – 2 x 10^16 J
Moc: 6 x 10^15 W
Czas magazynowania: kilka sekund – kilka lat
Zamknięte zasobniki ciepła wykonane są jako zbiorniki stalowe

ciśnieniowe z podwójnym płaszczem grzejnym lub też z wężownicą

grzejną. Zbiorniki te są izolowane cieplnie, przy czym opór cieplny

izolacji jest taki, aby temperatura zewnętrznej powierzchni izolacji nie była

wyższa od temperatury otoczenia więcej niż o 5 do 10 K.

Duże zbiorniki akumulacyjne mogą być wykonane z betonu z odpowiednią

izolacją wilgociową i cieplną. Są to zbiorniki bezciśnieniowe z

izolowanymi lekkimi pokrywami. Gdy wymagana jest bardzo duża

pojemność, to jako zasobniki ciepła można wykorzystać otwarte zbiorniki

zewnętrzne, stawy itp. Jednak muszą być one wyposażone w izolowane

przykrycia, aby ograniczyć straty ciepła w wyniku parowania i

promieniowania. Natomiast straty ciepła przez przenikanie do gruntu są

stosunkowo małe. Na przykład staw o wym. 50×50 m i głębokości 4 m

może zakumulować ciepło w ilości 175 MWh przy różnicy temperatury 15 K.

Akumulowanie ciepła w instalacjach słonecznych jest zagadnieniem

trudnym ze względu na niską temperaturę czynnika roboczego.

Ad 1. Wykorzystanie ciepła

właściwego

Ilość zmagazynowanego ciepła zależy od:
• pojemności cieplnej materiału- jest to stosunek ilości

ciepła (dQ) dostarczonego do układu, do odpowiadającego

mu przyrostu temperatury (dT).

gdzie: C - pojemność cieplna, Q – ciepło, T – temperatura
Najważniejszy parametr, różny dla różnych materiałów i zależny

od różnicy temperatur po i przed nagrzaniem

• ilości materiału
• temperatury, do której ma być ogrzewany

C 

Materiał

Gęstość
[kg/m

]

Ciepło
właściwe [kJ/

(kg·K)]

Ciepło
właściwe [MJ/

(m3·K)]

Woda

1000

4,2

Beton

2300

1,0

2,3

Stal 7800

7800

0,47

3,67

Płyta gipsowa

1400

0,84

1,18

Cegła

1600

0,84

1,34

Drewno

600

1,6

0,96

PCM

870-1000

18,0

15,7-18

Tablica 2. Porównania pojemności cieplnej różnych

materiałów
(PCM – mieszanina kwasów tłuszczowych, temperatura topnienia
22°C, pojemność cieplna – efektywne ciepło właściwe – w zakresie

temp. 18–28ºC [3])

Woda

jako substancja magazynująca ciepło przy

wykorzystaniu ciepła właściwego

Zalety:

• łatwość nabycia

• nietoksyczność

• dobre przewodzenie ciepła

• możliwość cyrkulacji w całym układzie wykorzystania energii

• słonecznej
Wady:

• wywoływanie korozji

• możliwość pracy w temperaturach od 0 do 1000C
Wodę do magazynowania energii cieplnej w magazynach krótkoterminowych

gromadzi się w zbiornikach o pojemności od 4 do 20 tysięcy litrów dla domu

jednorodzinnego, co zależy głównie od obliczonego czasu magazynowania

ciepła.

Inne materiały:

Do magazynowania ciepła można również używać ciał stałych:

• kamienie, cegły, beton, żelazo itp.
Np. ciepło kamieni właściwe jest jednak niewielkie, stąd wymagana objętość złoża

dwukrotnie większa od magazynów wodnych dla tych samych ilości ciepła.

Magazyny dla domków jednorodzinnych mają złoża kamieni o łącznej masie od

15 do 120 t, w zależności od obliczonego czasu i pojemności zasobnika.

Ad. 2. Wykorzystanie ciepła przemian fazowych

Sposób magazynowania energii cieplnej poprzez wykorzystanie ciepła

przemian fazowych uważany jest za jeden z najbardziej obiecujących. W

czasie przemiany fazowej mogą być pochłonięte lub wydzielone znaczne

ilości ciepła, praktycznie przy niewielkich zmianach temperatury złoża.

Pozwala to na przykład na optymalne wykorzystanie energii dostarczonej

z kolektorów słonecznych.

Zależnie od niezbędnego (uwarunkowanego sposobem wykorzystania energii i

posiadanym źródłem) zakresu temperatur oraz przewidywanych

warunków pracy mogą być stosowane różne materiały np.: metale (Al,

Na), stopy dwuskładnikowe i wieloskładnikowe, stopione sole, eutektyki

soli, hydraty, mieszaniny w fazie stałej, woski, parafiny oraz specjalne

preparowane substancje organiczne, np. stabilny polietylen o dużej

gęstości (HPDE) zachowujący uprzedni kształt po przemianie fazowej

pierwszego rodzaju.

Główną rozważaną przemianą fazową jest przemiana ze stanu skupienia

stałego w ciekły. Rozważane są także odmienne przemiany fazowe,

najczęściej bierze się pod uwagę parowanie, uzyskuje się bowiem w tym

procesie duże zmiany entalpii. Wadą tego sposobu jest konieczność

budowania zbiorników o dużej objętości lub zbiorników ciśnieniowych.

Zaletami układów wykorzystujących ciepła topnienia jest ich duża pojemność

cieplna odniesiona do jednostki masy, niemal stała temperatura w jakiej

oddają i pobierają ciepło, a także możliwości doboru temperatury

przemiany do warunków pracy źródła.

Przemiany odbywające się z pobraniem lub oddaniem ciepła:
1.

topnienie/krzepnięcie: przemiana fazowa, polegająca na przejściu substancji ze

stanu stałego w stan ciekły / proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego w stan

stały.

krystalizacja/rozpuszczanie: proces powstawania fazy krystalicznej z fazy ciekłej,

roztworu lub fazy gazowej / proces fizykochemiczny polegający na takim zmieszaniu

ciała stałego, gazu lub cieczy w innej cieczy lub gazie, że powstaje jednorodna,

niemożliwa do rozdzielenia metodami mechanicznymi mieszanina.

sublimacja/desublimacja: przemiana fazowa bezpośredniego przejścia ze stanu

stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego / przejście fazowe, polegające

na bezpośrednim przechodzeniu substancji z fazy gazowej (pary) w fazę stałą z

pominięciem stanu ciekłego.

parowanie/skraplanie: proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy ciekłej

danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy /

zjawisko zmiany stanu skupienia, przejścia substancji z fazy gazowej w fazę ciekłą.

wrzenie/kondensacja: zjawisko przemiany cieczy w gaz (parę), podczas którego

powstają i rosną pęcherzyki pary nasyconej w objętości / przejście ze stanu gazowego

w ciecz (skraplanie), lub w ciało stałe (resublimacja).

Zmiany struktur krystalicznych

Cd. Wykorzystanie ciepła przemian

fazowych

Istotnym problemem układów z wykorzystaniem ciepła topnienia

jest uzyskiwanie stabilności właściwości cieplnych w

kolejnych cyklach ładowania i rozładowania, wiele materiałów

ulega dekompozycji lub segregacji, a ich pojemność cieplna może

maleć nawet do 40% pojemności początkowej po kilkudziesięciu

cyklach. W materiałach mogą występować przegrzania i

przechłodzenia. Wymaga to praktycznie prawie dla każdego

materiału badań eksperymentalnych i w wielu przypadkach

poszukiwania dodatków stabilizujących. Praktycznym zagadnieniom

towarzyszy wiele trudności konstrukcyjnych: konieczność budowania

odpowiedniego do danego materiału wymiennika, problemy korozji

zbiornika i wymiennika (wiele materiałów stosowanych ma

właściwości korodujące), konieczność wprowadzenia dodatków

zapobiegających np. przechłodzeniu cieczy.

Aby polepszyć wymianę ciepła w złożu oraz zapobiec segregacji stosuje

się:

Odpowiednio dobraną geometrię wymiennika (pojemnika)

Ruch elementów wymiennika

Metody magazynowania ciepła z

wykorzystaniem związków i

pierwiastków.

Dobór związków i pierwiastków zależy od:

•

toksyczności

•

palności

•

ceny

•

temperatury przemiany

•

trwałości.

Materiały do magazynowania energii cieplnej dzieli się na nisko-,

średnio- i wysokotemperaturowe.

Zasobniki wykorzystujące ciepło utajone, np. niezbędne do

zmiany fazy mogą akumulować znacznie więcej ciepła niż

zasobniki ciepła jawnego, przy czym temperatura czynnika

roboczego w zasadniczym okresie ich pracy jest stała. W zakresie

niskiej temperatury czynnikami akumulującymi ciepło są roztwory

soli łatwo krystalizujących, jak np. hydraty Na2 SO4 10 H2O (sól

glauberska), kwasy organiczne (np. stearynowy), parafina,

odpowiednie gatunki wosków itp. Natomiast w zakresie wysokiej

temperatury stosuje się mieszaniny bezwodnych soli.

Najczęściej stosowane sole

uwodnione

• chlorek wapniowy (CaCl2x6H2O – temperatura

topnienia ok.380C, ciepło topnienia –174,4 kJ/kg)

• węglan sodowy (Na2CO3x10H2O – temperatura

topnienia 360C, ciepło topnienia 7950 kJ/kg)

• tiosiarczan sodowy (Na2S2O3x5H2O – temperatura

topnienia 52,20C, ciepło topnienia – 6750 kJ/kg)

• siarczan sodowy – sól Glaubera (Na2SO4 x 10H2O

temperatura topnienia ok. 320C, ciepło topnienia –

8100kJ/kg)

260

280

300

320

340

360

380

100

150

200

250

300

350

400

Ciepło topnienia [kJ /kg]

[

]

Ba(OH)*8H2O

N2O5

n-oktazan

parafina

n-oktaden

LiNO3*3H2O

gliceryna

n-pentadekan

LiClO3*3H2O

Ciepła topnienia związków

niskotemperaturowych

Rys.7. Ciepła topnienia związków niskotemperaturowych. [Proekologiczne odnawialne
źródła energii, Witold M. Lewandowski, WNT 2006]

Ad.3. Wykorzystanie reakcji

chemicznych

W podziale sposobów magazynowania energii cieplnej

trzecim rodzajem jest magazynowanie z wykorzystaniem

ciepła odwracalnych reakcji chemicznych i reakcji

fotochemicznych, uwalniania wody z hydratów i zeolitów

oraz produkcję paliw.

Podczas reakcji chemicznych może się wydzielać ciepło –

reakcje egzotermiczne lub może być konieczne

doprowadzenie ciepła – reakcje endotermiczne.

Wykorzystanie reakcji chemicznych do magazynowania

ciepła może mieć miejsce gdy są to odwracalne reakcje.

Zmiany entalpii podczas reakcji są większe niż podczas

przemian fazowych, stąd i większe możliwości

magazynowania ciepła.

Odwracalne reakcje chemiczne

W czasie endotermicznej reakcji chemicznej dostarczana energia

w postaci ciepła ulega konwersji na energię chemiczną i jest

magazynowana w tej postaci. W reakcjach odwracalnych ciepło

odzyskiwane jest w reakcji egzotermicznej. Ponieważ zmiany

entalpii w czasie reakcji chemicznej są dużo większe od zmian

entalpii podczas przemian fazowych, gęstości energii

przypadające na jednostkę masy lub objętości są większe dla

systemów chemicznych. Wartości : do 2*10^9 J/m3.

Produkty reakcji endotermicznej mogą być schłodzone (warunkiem

jest przebieg reakcji w podwyższonych temperaturach) i

magazynowane w temperaturze otoczenia, co zapobiega

stratom ciepła oraz zmniejsza zagrożenie korozją. Układ

wymaga po zakończeniu procesu dodatkowego odbioru ciepła w

celu uniknięcia zmniejszenia się całkowitej sprawności systemu.

Magazyny chemiczne

Podział ze względu na zastosowanie:

1) Rzeczywiste magazyny energii cieplnej,
2) Systemy transportujące energię cieplną

(thermochemical pipe line reaction – np.
rozkład SO

3) Urządzenia pompujące energię cieplną

(chemical heat pump storage – np. zmiana
stężenia H

w wodzie).

Pkt. 2) i 3) pozwala na odebranie energii w

określonym miejscu jak również
przetransportowanie jej w inny punkt.

Reakcje odwracalne:
1.

Stwarzają duże możliwości magazynowania energii cieplnej

Mogą być stosowane w układach odbierających ciepło z

procesów przemysłowych, wysokotemperaturowych

reaktorów jądrowych (HTGR)

Mogą być wykorzystane w układach kolektorów słonecznych

Problemy wykorzystania reakcji odwracalnych w magazynowaniu

energii cieplnej:

Wysokie koszty

Skomplikowana i złożona budowa systemów

Powtarzalność cykli łączenia i rozpadu danych związków

Magazynowanie energii cieplnej może być korzystne dla

magazynowania długoterminowego i przesyłania

energii na duże odległości.

Podsumowanie opłacalności wykorzystania

odwracalnych reakcji chemicznych w

magazynowaniu energii cieplnej

Reakcje fotochemiczne

Pobieranie energii podczas reakcji fotochemicznej ma miejsce ze

względu na rozpad substancji na elementy prostsze pod

wpływem pochłaniania światła monochromatycznego lub

pełnego widma widzialnego. Proces ten jest odwrócony gdy

występuje brak oświetlenia, czyli substancje wracają natychmiast

lub po pewnym określonym czasie do stanu poprzedniego oddając

ciepło.

ciepla

postaci

energia





Gdzie : A – dobry absorbent promieniowania, B – substancja nieczuła na
promieniowanie.

Przykłady roztworów: jodu w benzenie, CCl

(tetrze), alkoholu oraz karbonylek niklu.

Substancje specjalne – absorbujące promieniowanie podczerwone lub słoneczne:
stopiona sól Hitec (53KNO

40NaNO

, 7NaNO

– liczby przed substancjami to

procentowy udział molowy) o punkcie topnienia 142 stopnie Celsjusza i zakresie pracy
do 400 stopni Celsjusza przez dodanie około 0,1% mas Co(NO

)*6H

O zwiększa swoja

absorpcyjność około jedenastu razy w porównaniu z czystą solą.

Uwalnianie wody z hydrantów i zeolitów

Problemem związanym z tym sposobem magazynowania energii cieplnej jest

segregacja uwolnionej wody od substancji wiążącej tę wodę. Stwierdzone jest

zmniejszanie się ilości wody wiązanej w czasie cyklicznego ogrzewania i

chłodzenia, przykład: 34% po 140 cyklach. Zjawisko to jest związane z

występowaniem gazów (np. H

) na powierzchni materiałów, zaś usuwanie

gazów zwiększa sprawność procesu. Segregacji uwolnionej wody zapobiega

stosowanie hydratów lub zabiegów mechanicznych – rotację pojemników,

fluidyzację przygotowanego złoża. Przy tym sposobie magazynowania energii

występuje topnienie substancji wiążącej wodę w postaci hydratu lub już po

uwolnieniu wody. Uwolniona woda w temperaturze 100 stopni Celsjusza

zamienia się w parę, co powoduje konieczność stosowania naczyń

ciśnieniowych i ciągnie za sobą wymagania zabezpieczeń oraz testów. Materiały

stosowane: FeSO

* 7H

O, CaSO

* 2H

O, KAl(SO

) * 12H

O, ZnSO

* 7 H

Przykładowe substancje wykorzystywane w uwalnianiu wody hydratów i zeolitów

jako sposób magazynowania energii: porowate substancje, procesy ich

suszenia, gdzie odbiór ciepła następuje przy ponownym pochłanianiu cieczy

przez substancję. Najlepsze substancje to zeolity, ale także sproszkowane

aluminium, węgiel drzewny lub aktywny, a ciecze – woda.

Ciepło akumulowane w takich układach jest porównywalne do ciepła

akumulowanego w procesach wykorzystujących ciepło topnienia.

Magazyny na ciepło

wyczuwalne

Magazyny na

ciepło utajone

Magazyny

chemiczne

Woda

Skała

x 10H

Br(s)=

(g)+HBr(g)

Ciepło

właściwe z

(kJ/m

)

209 x 10

107 x 10

552 x 10

5540 x 10

Masa

potrzebna do

zmagazynowa

nia 4,18x10

kJ energii (kg)

2 x 10

10 x 10

1,18 x 10

0,22 x 10

Objętość

potrzebna do

zmagazynow.

4,18x10

energii (m

)

7,6

0,9

Porównanie typów magazynów energii cieplnej

W rocznym cyklu pracy systemu można

wyróżnić dwie zasadnicze fazy:

• Magazynowanie energii. Energia cieplna uzyskana z

kolektorów słonecznych jest magazynowana

bezpośrednio w akumulatorze gruntowym opartym o

sondy głębinowe o głębokości do 120m. Taki przypadek

jest możliwy wówczas gdy akumulator gruntowy jest

rozładowany tzn gdy temperatura medium zasilającego

jest wyższa od temperatury medium na powrocie.

• Odzyskiwanie energii. Energia cieplna z akumulatora

jest przekazywana do systemu grzewczego za

pośrednictwem pompy ciepła lub w przypadku

zapotrzebowania energii na niskim poziomie

temperaturowym do odladzania/odśnieżania za pomocą

wężownic umieszczonych pod powierzchnią gruntu.

• Ważnym zagadnieniem efektywnego

magazynowania energii cieplnej jest

odpowiednie dopasowanie wydajności jej

źródła do zapotrzebowania na nią. Istotne

staje się opracowanie efektywnego narzędzia

prognostycznego do szacowania ilości energii

cieplnej dla różnych wariantów działania

systemu magazynowania jej w gruncie.

Kluczowe są odpowiedzi na pytania o długość

fazy magazynowania i odbioru energii,

rozmiary akumulatora oraz wpływ

parametrów termodynamicznych gruntu.

Jest to możliwe dzięki:

1. Kolektorom płaskim, zbierającym energię

promieniowania bezpośredniego i

rozproszonego, wykorzystywaną

następnie do ogrzewania pomieszczeń

oraz dostawy ciepłej wody użytkowej;

2. przestrzenne, lustrzane koncentrujące

energię w ograniczonym obszarze

(ognisku) wykorzystywanym następnie w

procesie wytwarzania energii

elektrycznej wodoru (z wody) czy

metanolu (z węgla).

Przykładowe instalacje:

• doświadczalny system grzewczy wykorzystujący

kolektory słoneczne i gruntowy akumulator

energii cieplnej wykonany w Kozienicach.

• System akumulacji ciepła w gruncie za pomocą

kolektorów słonecznych oraz kolektora

powietrznego w Słupnie koło Warszawy.

• Szwecja: jedna z pierwszych dużych instalacji

słonecznych ze sztucznym zbiornikiem

akumulacyjnym.

• System ogrzewania w Borowej Górze koło

Serocka

Kozienice

• Instalacja składa się z czterech podstawowych

elementów:

• Dwa odwierty głębinowe po 96 m każdy
• Instalacja trzech kolektorów słonecznych o łącznej

powierzchni 6m2.

• Instalacji pod powierzchnią trawnika na

głębokości cm z rur PE o średnicy 25mm

• Dwóch sterownika mikroprocesorowych, do

których podłączono 20 czujników temperatury,

licznik energii, przepływomierz, stany punktów

takich jak zawór kolektora słonecznego, pompa

obiegowa.

Sterownik- jego funkcje

• Oblicza właściwości roztworu glikolu

takich jak ciepło właściwe i gęstość na

podstawie temperatury i stężenia

• Oblicza średnią temperaturę dobową

• Zlicza sumaryczne wartości przepływów

roztworu i energii

• Przekazuje dane do centralnego

komputera gdzie wszystkie dane są

archiwizowane. Archiwizacja danych

odbywa się w próbkach jedno minutowych.

Cel projektu:

• Oszacowanie ilości energii jaką można

zmagazynować w odwiertach głębinowych

w okresach nadmiaru energii cieplnej dla

celów ich wykorzystania w okresie

zimowym dla współpracy z pompami

ciepła celem podniesienia współczynników

sprawności

• do ogrzewania otwartych powierzchni jak

boiska piłkarskie, pasaże dla pieszych,

ulice, parkingi oraz dużych hal sportowych,

magazynowych i itp.

Zalety instalacji:

• Zimą podczas ogrzewania pomieszczenia za

pomocą pomp ciepła wzrost współczynnika

sprawności (COP) poprzez wyższą temperaturę

gruntu o około 10 %

• Instalacja może wykorzystywać kolektory

słoneczne do ogrzewania c.w.u.

• Dla terenów zielonych dodatkową korzyścią jest

ograniczone zużycie wody do podlewania

murawy. Latem temperatura warstwy ziemi pod

trawą jest nieustannie schładzana ograniczając

odparowywanie wody w dzień, a w chłodniejsze

noce powoduje efekt roszenia.

Słupno

• W rozwiązaniu wykorzystano kolektory

słoneczne. Jednak jest tutaj wiele różnic w

stosunku do standardowych zastosowań. I

to nie tylko dlatego, że kolektorów będzie

więcej niż zwykle; oprócz podgrzewania

wody w zasobniku posłużą one także do

ogrzania gruntu pod podłogą budynku.

Zakumulowane pod domem ciepło będzie

wykorzystywane do podgrzewania wody w

zasobniku w okresach, gdy nie ma słońca

lub jest go mniej, niż potrzeba.

• Cały układ będzie jeszcze wspomagał

"kolektor powietrzny", czyli

umieszczona wzdłuż kalenicy

perforowana plastikowa rura, która

posłuży do przechwytywania ciepłego

powietrza gromadzącego się pod

pokryciem dachu. Za pomocą

wentylatora powietrze to będzie

tłoczone pod podłogę budynku,

powiększając stopień nagrzania

gruntowego akumulatora ciepła.

Budowa gruntowego

akumulatora ciepła:

• Na poziomie ław fundamentowych zostały ułożone

przewody z rurek polipropylenowych, którymi dopływa

czynnik grzewczy z kolektorów słonecznych. Rurki te

przysypano 15-centymetrową warstwą piasku. Na nim

ułożono rury PVC o średnicy 110 mm, które stanowią

kolejny wymiennik ciepła, doprowadzając gorące powietrze

zassane w kalenicy dachu.

• Kolejna 15-centymetrowa warstwa piasku oddziela ten

wymiennik od drugiej warstwy rurek polipropylenowych,

które posłużą do wstępnego podgrzania ciepłej wody

użytkowej w zasobniku. Rurki te przysypane są kolejną

warstwą piasku, na których zostanie położona warstwa

chudego betonu i 15-centymetrowa warstwa izolacji

cieplnej ze styropianu. Na niej ułożone będą tradycyjne

warstwy podłogowe.

Dodatkowe zabezpieczenia:

• Wokół domu ułożono przewody kolektora

gruntowego, który wspomagać będzie działanie

wentylacji mechanicznej - zimą wstępnie

podgrzewając powietrze zasysane do domu,

latem je wychładzając. Kolektor gruntowy

wykonany ze wzmocnionych rur kanalizacyjnych

ułożono w pobliżu ław fundamentowych na

stosunkowo niedużej głębokości i obsypano go

piaskiem. Następnie cały kolektor przykryto 10-

centymetrowymi płytami styropianowymi

półmetrowej szerokości. Zostaną one zasypane

ziemią i stanowić będą izolację kolektora przed

zmianami temperatury

Obliczenia:

• Zasobnik ciepła ma ok. 95m2 powierzchni i pół metra

głębokości

• Zakładamy, że cały grunt podgrzeje się do

temperatury 40 °C.

• Pozwoli to zakumulować 1600kWh energii cieplnej.
• Sprawność układu przyjmujemy na poziomie 50%
• Ok. 800kWh będzie można wykorzystać do podgrzania

wody średnio o 20°C dla 4-osobowej rodziny przy

założeniu że zapotrzebowanie ciepłej wody to 100

litrów dziennie.

• Ten zapas ciepła wystarczy na pokrycie w 80-90%

zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej

wody w okresie zimowym oraz ponad 95%

zapotrzebowania w okresie letnim.

• Możliwość przechowania na miesiące zimowe

przynajmniej części energii słonecznej pozyskanej

latem jest bardzo zachęcające do tego typu

instalacji.

• Naturalnym dla tego celu zasobnikiem ciepła jest

grunt pod podłogą, co dodatkowo zmniejszy

zapotrzebowanie ciepła do ogrzewania

domu, dzięki wyeliminowaniu strat ciepła przez

podłogę.

• Woda będzie prawie w całości podgrzewana

bezpośrednio przez dwa rodzaje kolektorów:

słoneczny i powietrzny.

• Wykorzystanie energii promieniowania

słonecznego do zmniejszenia kosztów

eksploatacji domu.

Wnioski:

Szwecja:

• Na całym świecie budowane są bardzo duże

instalacje solarne o powierzchni kilkuset tysięcy

m2, które mogą służyć do bezpośredniego

podgrzewania wody użytkowej jak także do

akumulowania energii w gruncie i

wykorzystywania jej gdy energia promieniowania

słonecznego jest zbyt mała. Tradycje budowania

instalacji solarnych są dość długie. Pierwszą była

instalacja w Lyckebo w Szwecji o powierzchni

4320m2 zbudowana już w 1983 roku. Dlatego

postaramy się przyjrzeć z bliska temu obiektowi.

Nakłady inwestycyjne, rodzaj

zbiornika

Rok

budowy

Lokalizacja

Powierzchni

a kolektorów

[m2]

Inwestycje

(SEK/m2)

zł/M2

Objętość

[m3]

Rodzaj zbiornika

1982

Torvalla

2000

3566

1417,842

1983

Lyckebo

4320

3904

1552,23

105000

(nieizolowana jaskinia

skalna)

1984

Ingelstad

1425

4095

1628,172

5000

(izolowany zbiornik

betonowy)

1985

Nykvarn

4000

2858

1136,341

1500

(izolowany zbiornik

stalowy)

1987

Ingelstad

1000

2959

1176,498

5000

(izolowany zbiornik

betonowy)

1987

Malung

600

2464

979,6864

1989

Falkenberg

5500

2093

832,1768

1991

Nykvarn

3500

2295

912,492

1992

Sater

1250

2081

827,4056

W warunkach polskich od ogrzania obiektu o powierzchni

ok. 1000 m

należy zastosować kolektory o łącznej

powierzchni około 85 m

, które powinny współpracować z

magazynem utworzonym z 30 Mg kamieni, o średnicy

około 50 mm, usypanych w złoże. W średnich warunkach

napromieniowania można w takim magazynie uzyskać, np. w

marcu, 500 MJ/24 h ciepła, a w czerwcu ponad dwa razy

więcej. Magazynowanie energii cieplnej w kamiennym złożu

może również być stosowane w jednorodzinnym

budownictwie z systemem kolektorów słonecznych. Znane są

również magazyny ciepła w postaci pionowych, wierconych w

skale otworów długości 40 – 150 m i średnicy 0,075 – 0,11 m,

wypełnionych wodą. Systemy takie, które są najczęściej

skojarzone z pompą ciepła, pracują w USA, Kanadzie,

Szwecji, gdzie działa ponad 10 000 takich układów.

Fakty dotyczące magazynowania energii

cieplnej

System magazynowania energii cieplnej w gruncie w

Stacji Badawczej Zakładu Geotechniki IMGW w Borowej

Górze k. Serocka

CHARAKTERYSTYKA SYSTEMU OGRZEWANIA
•

Budynek Stacji Badawczej jest budynkiem parterowym, wolnostojącym, niepodpiwniczonym.

•

Posiada część laboratoryjną i biurową.

•

Całkowita powierzchnia budynku wynosi 340 m2 natomiast kubatura 1078 m3.

Akumulator gruntowy stanowią cztery sekcje z których każda składa się z 12 pionowych

wymienników o średnicy 2” i długości 21 m. Wymienniki rozmieszczono w regularnej siatce

kwadratowej o boku 4 m. Łączna długość wymienników wynosi 1008 mb zaś objętość

akumulatora (gruntu): 16500 m3. Położenie akumulatora względem budynku oraz schemat

połączeń hydraulicznych wymienników przedstawiono na rysunku 1a. Zastosowano wymienniki

typu koncentrycznego składające się z dwóch rur umieszczonych jedna w drugiej. W fazie

magazynowania energii cieplnej podgrzana woda (lub inny nośnik) dostarczana jest za pomocą

rury wewnętrznej o średnicy 1" , wypływa w dolnej części zaślepionej rury zewnętrznej (średnica

2") i przemieszczając się do góry ogrzewa ją oraz otaczający grunt. W fazie odzyskiwania

energii z gruntu czynnik krążący w akumulatorze przemieszczając się wzdłuż ścianki bocznej

rury zewnętrznej ogrzewa się ciepłem zgromadzonym w gruncie otaczającym wymiennik. W

ramach sekcji wymienniki połączono szeregowo. Źródłem energii zasilającym akumulator są

kolektory słoneczne typu USD o powierzchni łącznej 62,92 m2 (22 sztuki po 2,86 m2). Układ

hydrauliczny kolektorów stanowi obieg zamknięty a energia przekazywana jest do akumulatora

za pomocą wymiennika ciepła lub do pompy ciepła. Układ hydrauliczny akumulatora

gruntowego stanowią dwa niezależne obiegi zamknięte zasilające po dwie sekcje akumulatora.

Układ hydrauliczny ogrzewania budynku jest zasilany z pompy ciepła. Ruch nośnika energii we

wszystkich układach hydraulicznych jest wymuszony.

Zapotrzebowanie na energię cieplną budynku Stacji Badawczej określono na

poziomie 27,7 kW. Pompa ciepła powinna zapewniać około 70% całego

zapotrzebowania na energię cieplną budynku czyli winna mieć moc około 20 kW.

Projekt przebudowy uwzględniał istniejącą kotłownię gazową, możliwość

przełączania zasilania systemu grzewczego na pompę ciepła i piec gazowy, a

także parametry czynnika grzewczego obiegu instalacji CO 55/40 C wymuszone

zastosowaniem pompy ciepła. Rozdzielnia systemu grzewczego umożliwia

przełączanie systemu na różne tryby pracy z zależności od okoliczności: zasilanie

akumulatora gruntowego energią uzyskaną z kolektorów słonecznych,

odzyskiwanie energii cieplnej z akumulatora gruntowego i przekazywanie jej za

pomocą pompy ciepła do systemu centralnego ogrzewania, dołączenie pieca

gazowego jako źródła uzupełniającego w przypadku zwiększonego

zapotrzebowania na energię spowodowanego niekorzystnymi warunkami

atmosferycznymi lub rozładowaniem akumulatora. Połączenia hydrauliczne

pomiędzy pionowymi wymiennikami wykonano za pomocą rur preizolowanych

typu FINPOL. Na rysunkach 1a i 1b przedstawiono schematycznie połączenia

hydrauliczne pomiędzy kolektorami, akumulatorem i rozdzielnią. W sekcji I

występuje inny schemat przepływu czynnika transportującego energię co wynika

z faktu, że połączenia wykonano przed rozpoczęciem projektu. System zaworów

umożliwia sterowanie sekcjami, wyłączanie z użytku poszczególnych sekcji np. w

związku z awarią, koniecznością wymiany lub montażu czujników itp.

Zastosowana pompa ciepła posiada moc znamionową 4,85 kW natomiast jej moc

grzewcza wynosi 20,5 - 24,3 kW. Usytuowanie pompy w systemie umożliwia

pobieranie przez nią energii cieplnej z akumulatora lub z kolektorów jako źródła

dolnego. Z drugiej strony pompa ciepła zasila instalację centralnego ogrzewania

budynku laboratoryjnego. W związku z tym, że temperatura czynnika grzewczego

na wyjściu pompy ciepła nie przekracza 55 stopni C musiał być zmodyfikowany

system ogrzewania budynku.

WNIOSKI:

Magazynowanie energii może być używane w celu

zmniejszenia strat energetycznych w bardzo wielu

przypadkach obejmujących różne procesy. Za

szczególne procesy uważa się:

•

Przejmowanie w celu dalszego jego wykorzystania ciepła

wydzielonego w układach elektrycznych i elektronicznych-

specjalnie w technice i technologii kosmicznej, można uzyskać

w ten sposób takżę stałe temperatury pracy tych układów

•

Przejmowanie i wykorzystywanie ciepła tarcia w hamulcach

pojazdów

•

Przejmowanie ciepła odpadowego w wielu procesach

wytwórczych w przemyśle

•

Przejmowanie i wykorzystywanie energii z konwencjonalnych i

jądrowych elektrowni. Szczególne znaczenie może mieć

odzyskanie ciepła z reaktorów HTGR ze względu na wysokie

temperatury (1000K) a także elektrociepłowni w okresie

letnim w celu magazynowania długoterminowego

2. Magazynowanie energii słonecznej wydaje

się obecnie celowe i praktycznie uzasadnione

gdy:

•

Do ogrzewania powietrzem (grzanym w kolektorach

płaskich ) budynków mieszkalnych i biurowych za pomocą

ukłądów biernych tzn. korzystając z odpowiednio

zaprojektowanych ścian i fundamentów (czasem przez

wprowadzenie materiału topiącego się- PCM)

•

Do procesów suszarniczych (suszenie ziarna)

•

Do ogrzewania pośredniego wodą pomieszczeń

mieszkalnych oraz szklarni, ogrzewania wody (en.

zbierana w kolektorach płaskich)

•

Do produkcji en. elektrycznej i ciepła dla procesów

przemysłowych (magazynowanie wysokotemperaturowe

energii doprowadzonej z kolektorów skupiających);

pojemności cieplne w tym przypadku muszą być tak

dobrane, aby oprócz pracy w ciągu nocy zapewnić

możliwość odbioru energii ze zbiornika przez co najmniej

jeden dzień chmurny (o bardzo małym nasłonecznienu)\

3. Z analizy wielu prac wynika, że w chwili obecnej dla

układów słonecznych ( w tym elektrowni)

magazynowanie energii cieplnej w odwracalnych

reakcjach chemicznych nie jest atrakcyjne. Wynika to

z faktu, że dla tego typu układu warunki pracy nie są

ustabilizowane i korzystniejsze jest magazynowanie

krótkoterminowe (<20h) wykorzystujące ciepło

właściwe i ciepło przemian fazowych lub korzystanie z

układów hybrydowych – paliwo naturalne plus

magazyn ciepła. Magazynowanie chemiczne ma

mniejszą sprawność i jest znacznie kosztowniejsze,

szczególnie dla nieustalonych warunków pracy źródła.

4. Podobne wnioski można wyciągnąć dla układów

niesłonecznych, mimo stałości warunków pracy

źródła (np. współpraca z reaktorami jądrowymi).

Jeszcze w roku 1990 wydawało się że

magazynowanie energii jest ekonomicznie

nieuzasadnione jednak przewidywano wzrost

opłacalności z początkiem XX wieku wraz podwyżką

ceny ropy i gazu co obecnie ma miejsce. Obecnie nie

znaleziono układu do magazynowania energii w

procesach chemicznych dostępnych na rynku,

pracują dopiero prototypy.

• Podsumowując, możemy stwierdzić, że systemy

termochemiczne dają najlepsze efekty, kiedy

połączone są z dużymi, ciągłymi źródłami ciepła i są

wykorzystywane do transportu energii na duże

odległośći. Reakcje chemiczne będą więc używane

do chemicznych pomp ciepła i do transportu energii.

5.Odwracalne reakcje chemiczne i fotochemiczne

oraz produkcja paliw wymagają dalszych

intensywnych badań. Zagadnienia produkcji

wodoru przy wykorzystywaniu

niekonwencjonalnych źródeł energii mają wielkie

znaczenie i wydaje się, że ten rodzaj paliwa

znajdzie szerokie zastosowanie w ciągu

najbliższych lat.

6. Najbardziej obiecujące a także ekonomicznie

uzasadnione wydaje się magazynowanie energii

wykorzystujące ciepło przemian fazowych i ciepło

właściwe. Te sposoby magazynowania energii

mogą być dostosowane praktycznie do każdej

pojemności i do każdego zakresu temperatur.

8. W warunkach naszego kraju istotne

znaczenie może mieć rozwinięcie produkcji

biomasy oraz biogazu szczególnie dla dużych

gospodarstwach rolnych, położonych dalej od

podstawowych linii energetycznych,

komunikacyjnych i przesyłowych ciepła.

Ograniczenia w wydobywaniu węgla

zmuszają do sięgnięcia po gorsze paliwo

(biomasa) i do źródeł niekonwencjonalnych.

Celowe wydaje się opracowanie typowego

układu do produkcji biogazu dla gospodarstw

10- 20 ha oraz magazynów ciepła do

ogrzewania pomieszczeń gospodarczych

i suszenia płodów rolnych o pojemności

600-1000MJ

Literatura:

• Magazynowanie energii cieplnej, Roman Domański, PWN, 1990

• Proekologiczne odnawialne źródła energii, Witold M. Lewandowski, WNT, 2006

• Charakterystyka systemów z długoterminowym magazynowaniem energii w

gruncie, Dorota Chwieduk, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr

1/1998,

• Ciepło z pod ziemi, A. Wita, Horyzonty Techniki 1987 nr 7

• Kolektory słoneczne, pompy ciepła na tak, Mirosław Zawadzki, Polska Ekologia

2003

• Słoneczne instalacje energetyczne, Zbysław Pluta, Oficyna wyd. PW, 2007

Strony internetowe:

•

http://dom.gazeta.pl/Ladny-Dom/1,61608,5679721,Relacja_z_budowy___Cieplo

_pod_podloga_cz_1.html

•

http://www.sator.solis.pl/

•

http://www.xlabs.pl/woskaku.html

•

http://www.zsm.radziejow.ids.pl/Publikacje/kolektory/magazynowanie.htm

•

http://wwo.ely.pg.gda.pl/~zkusto/Energia_odnawialna/Wyklady/Slonce_Duze_in

stalacje_sezonowe.pdf

•

http://ekoenergia.dzien-e-mail.org/content/view/133/74/

Document Outline