Duże i małe magazyny ciepła – jaka czeka je przyszłość?

Magazynowanie energii to jeden ze sposobów zwiększania niezależności energetycznej budynków. Prąd lub ciepło wytworzone podczas pracy źródeł OZE, na przykład fotowoltaiki, nie muszą być oddawane od razu do sieci. Możliwość przechowania go w pobliżu źródła pozwala na późniejsze wykorzystanie na potrzeby własne – na przykład ogrzanie budynku w nocy, gdy nie ma już słońca i energii z paneli. Jednak jak na razie, magazynowanie energii elektrycznej w tak zwanych „bankach energii” jest rozwiązaniem drogim, a same magazyny tego typu mają stosunkowo niewielką pojemność. Dlatego dla podtrzymania ciągłości ogrzewania/chłodzenia budynku w okresach zmniejszonej produkcji energii lub jej braku stosuje się magazyny ciepła.

Jak dzielimy magazyny ciepła?

Magazyny energii cieplnej można podzielić na kilka grup. W zależności od zakresu temperaturowego medium magazynującego energię wyróżnia się:

• niskotemperaturowe (do 120°C),
• średniotemperaturowe (120-500°C),
• wysokotemperaturowe (powyżej 500°C).

Natomiast w zależności od systemu magazynowania energii na typy – wykorzystujące ciepło właściwe medium, energię przemian fazowych lub ciepło przemian chemicznych. Rozwiązania bazujące na wykorzystywaniu ciepła właściwego substancji, na przykład wody, pozwalają na magazynowanie ciepła przez wiele dni lub nawet miesięcy. Tymczasem pozostałe typy dają tę możliwość przez krótszy czas – godziny, najwyżej dni.

Magazyny ciepła mogą istnieć jako sztuczne zbiorniki – przede wszystkim wodne. Możliwe jest także magazynowanie ciepła w wodach podziemnych. Ponadto wyróżniamy magazyny ciepła w gruncie (tzw. BTES - Borehole Thermal Energy Storage), w warstwach wodonośnych pomiędzy warstwami skał nieprzepuszczalnych lub słabo przepuszczalnych, w zbiornikach wodno-żwirowych lub w komorach skalnych, do których wtłacza się gorącą wodę. Magazyny ciepła znajdują zastosowanie zarówno w większej skali: zaopatrując w ciepło osiedla mieszkaniowe czy budynki użyteczności publicznej, jak i w warunkach domów jednorodzinnych.

• Zobacz również: Lit z wód geotermalnych nadzieją dla branży magazynów energii

Magazyn ciepła w Ontario

Najbardziej popularnym w Europie rodzajem magazynu ciepła jest magazyn typu BTES. Poza Europą również jest rozpowszechniony - właśnie taki system znajduje się między innymi w Ontario, w Kanadzie. Zasilający cały kampus Uniwersytetu Technicznego Ontario w ciepło oraz chłód akumulator składa się z ponad 380 wymienników ciepła w kształcie litery „U” sięgających na głębokość około 200 metrów. Gorący czynnik przepływa przez wymienniki ciepła, oddając je do gruntu lub też odbierając je z niego. Pobór ciepła odbywa się za pomocą pomp ciepła. Dzięki swojej konstrukcji magazyn typu BTES umożliwia stosunkowo łatwą rozbudowę w przyszłości, ze względu na możliwość dołączania kolejnych modułów i powiększania pojemności cieplnej magazynu.

Zalecany rodzaj gruntu pod tego rodzaju magazyny to ziemie gliniaste lub zawierające iłołupki ze względu na cechującą je wysokie pojemności cieplne, uniemożliwiające przepływ wód gruntowych który powodowałby straty ciepła. Co ciekawe magazyn Uniwersytetu Ontario znajduje się w litej skale wapiennej, która również spełnia powyższe cechy.

Indywidualne magazyny ciepła

Jak jednak odnieść technologię magazynów ciepła do małej skali? Kierując się w stronę dynamicznie rozwijającego się w Polsce rynku pomp ciepła zwraca się uwagę na elastyczność ich pracy w czasie oraz współpracę z systemami przydomowej fotowoltaiki lub elektrowni wiatrowej. W celu zwiększania autokonsumpcji energii elektrycznej wśród najczęściej wybieranych rozwiązań znajdują się przede wszystkim zbiorniki wody (TTES) w instalacjach kombinowanych CO-CWU, których zdolność magazynowania ciepła wzrasta wraz z objętością, a jako główną zaletę wskazuje się stosunkowo niską cenę budowy.

Innym sposobem jest zastosowanie materiałów zmiennofazowych, czyli na przykład hydratów soli lub parafin o odpowiednich temperaturach topnienia, zamykając je w małych granulkach. Substancja wewnątrz granulek zmienia swój stan skupienia wraz ze wzrostem temperatury pozwalając na magazynowanie ciepła. Następnie energia jest oddawana podczas schładzania. Granulki te bez zmiany kształtu mogą stanowić część posadzki czy tynku. Powstają też pierwsze instalacje domowe zawierające gruntowy magazyn ciepła BTES. Przykładem takiego obiektu jest dom autonomiczny w Podzamczu pod Chęcinami. Korzysta on z ciepła pochodzącego z systemu chłodzenia paneli fotowoltaicznych do zasilenia swojego magazynu podziemnego, z którego pobierać może ciepło w chłodniejszych okresach w roku.

Przyszłość magazynów ciepła

Nowe rozwiązania są wciąż rozwijane, a wszystkie znane udoskonalane. Kto wie, jaka będzie technologia magazynów ciepła przyszłości? Wydaje się, że na obecną chwilę największe możliwości dla małej skali daje stosowanie magazynów w postaci zbiorników wodnych, ze względu na ich niską cenę w porównaniu z magazynami zawierającymi materiały zmiennofazowe. Wystarczają one do przechowania ciepła przez kilka godzin, a zatem na przykład ogrzewania budynku w nocy. Jeśli chodzi o zastosowania w instalacjach wielkoskalowych, wybór rodzaju magazynu ciepła musi zależeć od konkretnego projektu – jego położenia, wielkości inwestycji, czy rodzaju podłoża. Wiele krajów rozwija technologie związane z magazynami ciepła i wciąż powstają ich nowe, innowacyjne rodzaje, jak na przykład magazyn ciepła w piasku w mieście Kankaanpää w zachodniej Finlandii. Więcej na jego temat w artykule Nadwyżki z OZE trafią do piachu? Nowy pomysł na magazynowanie energii!

Źródła: CIRE, University of Ontario Institute of Technology, NATO Science Series.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Alicja Ossera