Magazynowanie ciepła

Autorzy: Agnieszka Gierz i Paweł Wultański / 24.09.2024

W dobie rosnących wyzwań środowiskowych magazynowanie ciepła zyskuje na znaczeniu jako kluczowy element zrównoważonego rozwoju energetycznego. Pozwala ono nie tylko na efektywniejsze wykorzystanie energii produkowanej z odnawialnych źródeł, ale również na poprawę efektywności energetycznej i obniżenie emisji dwutlenku węgla.

Dlaczego magazynujemy ciepło?

Problem magazynowania ciepła, podobnie jak energii elektrycznej, wynika z konieczności wykorzystania zasobów energetycznych w dowolnym momencie, innym niż są one wytwarzane.

Podstawowymi powodami zastosowania magazynów ciepła są:

stabilizacja pracy systemów grzewczych, tzw. peak-shaving, w przypadku występowania niestabilnych odbiorów (np. wymagających dużej ilości energii przy rozruchu lub zależnych od warunków pogodowych). Magazyny ładowane są w okresach z niższym zapotrzebowaniem, a gdy zapotrzebowanie wzrasta, oddają zgromadzoną energię. Dzięki temu źródła ciepła pracują z mniejszymi wahaniami mocy, co prowadzi do poprawy ich żywotności i efektywności, a także może redukować wahania ciśnienia w sieci w zależności od rozmieszczenia magazynów;
wykorzystanie nadwyżek energii produkowanych przez źródła odnawialne w okresach o zmniejszonym zapotrzebowaniu na medium;
możliwość wykorzystania magazynu jako źródła rezerwowego w przypadku awarii;
wykorzystanie wahań ceny energii elektrycznej do zwiększenia opłacalności stosowania układów kogeneracyjnych.

Ostatni punkt to istotny powód stosowania magazynów ciepła w sieciach ciepłowniczych. Dzięki nim jednostka kogeneracji nie musi dostosowywać się do bieżącego zapotrzebowania na ciepło i może produkować energię elektryczną, gdy jest ona droższa. Nadwyżka produkowanego ciepła trafia z kolei do magazynu, z którego jest pobierana w dogodnym czasie.

Czy warto magazynować ciepło zamiast energii elektrycznej?

Powyższe pytanie z pozoru wydaje się dotyczyć osobnych kwestii, jednak energetyka w celu dążenia do poprawy efektywności powinna charakteryzować się tzw. sector coupling, czyli łączeniem ze sobą gospodarek związanych z różnymi nośnikami energii. Kogeneracja, elektryfikacja systemów grzewczych (power-to-heat), wytwarzanie paliw odnawialnych z nadwyżek energii elektrycznej z OZE to przykłady takiego podejścia.

W kontekście przytoczonego wcześniej przykładu jednostki kogeneracji w systemie ciepłowniczym można zadać pytanie o to, co będzie korzystniejsze: dostosowanie się do bieżącego zapotrzebowania na ciepło i magazynowanie energii elektrycznej, żeby potem sprzedać ją drożej, czy też dostosowanie się do bieżącej ceny energii elektrycznej i magazynowanie niepotrzebnego w tym czasie ciepła? Podobne pytanie można postawić w przypadku instalacji fotowoltaicznej w zakładzie przemysłowym lub nawet domu jednorodzinnym: czy warto zainwestować w magazyn energii elektrycznej, żeby energię wyprodukowaną za dnia wykorzystać wieczorem lub rano? A może lepiej będzie tę energię zamienić na ciepło i magazynować ją w tej właśnie formie, dzięki czemu mniej obciążone kotły zużyją mniej gazu ziemnego?

Odpowiedzi na te pytania nie zawsze są jednoznaczne, jednak magazyny ciepła posiadają kilka przewag nad magazynami energii elektrycznej.

Łatwość aplikacji i prosta technologia

Zarówno substancje magazynujące ciepło, jak i izolacje gwarantujące niskie straty w dłuższym czasie są tańsze i powszechnie dostępne. Technologia magazynowania ciepła sprzyja wykorzystaniu infrastruktury przemysłowej – gorąca woda, spaliny czy gorące powietrze stanowią często produkt uboczny procesów.

Technologia ta implikuje też łatwość serwisowania i niskie koszy utrzymania w porównaniu do akumulatorów elektrycznych. Uniknięcie problemów utylizacji i recyklingu to kolejna przewaga konkurencyjna magazynów ciepła, zwłaszcza tych, które bazują na magazynowaniu metodami fizycznymi, a nie chemicznymi (omówienie w dalszej części).

Konwersja i sprawność

Oprócz wspomnianej już zbędnej konwersji energii, która wiąże się z dodatkowymi stratami, magazyny ciepła charakteryzują się wysokimi sprawnościami, pozwalają przechowywać energię przez dłuższy czas bez znaczących strat, co stanowi przewagę konkurencyjną w porównaniu do magazynów energii elektrycznej. Pod względem powtarzalności cykli i żywotności magazyny ciepła wypadają lepiej.

Ważnym aspektem w tym zakresie jest też kolejność konwersji energii:

konwersja energii elektrycznej na ciepło charakteryzuje się wysokimi sprawnościami, często przekraczającymi 90%;
konwersja ciepła na energię elektryczną posiada wiele ograniczeń, wynikających z ograniczeń obiegu w siłowni cieplnej. W praktyce sprawności te rzadko przekraczają 45%.

Zatem magazynowanie energii w postaci ciepła pozwala również na rozwiązywanie problemów nadprodukcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Wysoka sprawność konwersji energii elektrycznej na ciepło implikuje opłacalność magazynowania ciepła i późniejsze wykorzystanie go do procesów produkcyjnych lub grzewczych. Przykładowy schemat magazynowania ciepła pokazano na Rysunku 1.

Rysunek 1. Przykładowy schemat magazynowania ciepła z wykorzystaniem technologii Kraftblock – © Kraftblock

Jak magazynujemy energię?

Technologie magazynowania energii to rozległy temat, do najbardziej powszechnych należą:

Magazynowanie energii termicznej:

ogrzewanie lub chłodzenie magazynującego medium (ciepło właściwe substancji);
wykorzystanie ciepła utajonego przemian fazowych.

Magazynowanie energii mechanicznej:

elektrownie szczytowo-pompowe (energia potencjalna);
zbiorniki sprężonego powietrza (energia potencjalna);
koła zamachowe (energia kinetyczna w ruchu obrotowym).

Magazynowanie energii chemicznej:

ogniwa galwaniczne/przepływowe/paliwowe (np. produkcja wodoru);
reakcje termochemiczne;
procesy sorpcyjne.

Magazynowanie energii w polu elektrostatycznym i magnetycznym:

kondensatory;
układy nadprzewodzące (SMES – Superconducting Magnetic Energy Storage).

Mimo obecnej debaty dotyczącej magazynów energii elektrycznej warto poświęcić uwagę magazynom ciepła, które zastosowane w zakładach przemysłowych lub systemach ciepłowniczych mogą okazać się znacznie bardziej konkurencyjnym rozwiązaniem.

Nadwyżki energii elektrycznej mogą być wprowadzone do sieci dystrybucyjnej. W przypadku ciepła potencjał wykorzystania nadwyżek jest często ograniczony. Wynika to z braku możliwości sprzedaży tego nośnika innym podmiotom. Jedynym rozwiązaniem na zagospodarowanie nadwyżek energii termicznej jest wówczas lokalne magazynowanie ciepła.

Technologie magazynowania ciepła

Podstawowy podział wynika z fizycznych lub chemicznych metod akumulacji energii. Wyróżniamy magazynowanie:

w cieple właściwym substancji – dostarczenie ciepła powoduje zwiększenie energii wewnętrznej (podgrzanie substancji);
w materiałach zmiennofazowych (PCM) – dostarczenie ciepła powoduje zmianę fazy substancji (najczęściej ze stanu stałego w ciekły);
w reakcjach termochemicznych i procesach sorpcyjnych – dostarczenie ciepła powoduje zajście reakcji endoenergetycznej.

Każda z metod ma liczne zalety i wady, jednak w instalacjach dotyczących przemysłu, gdzie rozważamy magazynowanie krótkoterminowe o względnie dużej mocy i niskim koszcie, bezkonkurencyjne okazują się magazyny wykorzystujące ciepło właściwe substancji.

Każdy zakład przemysłowy posiada unikalne parametry pracy, dlatego kluczowa jest skalowalność magazynu oraz możliwość zastosowania czynników o wartościach temperatury zgodnych z dostępnymi jako ciepło odpadowe. Jeśli na terenie zakładu nie ma możliwości postawienia instalacji odzysku ciepła, a występuje na nie zapotrzebowanie, warta rozważenia jest rozbudowa instalacji o układ Power to Heat (PtH/P2H) przy istniejącej lub planowanej elektrowni zasilanej ze źródeł odnawialnych. Pozwala to na wykorzystanie nadmiarowej energii lub celowe zaprojektowanie źródła zasilania, by korzystać nie tylko z odnawialnej energii elektrycznej, ale i z ciepła (w dowolnym czasie).

Podstawowe parametry magazynu ciepła

Wybór wśród magazynów jest bardzo duży, dlatego należy dokładnie przeanalizować jego parametry, by wybrać jednostkę optymalną pod warunki i parametry czynników wykorzystywanych w zakładzie.

Materiał magazynujący

Ciepło właściwe materiału magazynującego (Cp): określana jako ilość ciepła, jaką dany materiał może przechować na jednostkę masy na stopień wzrostu temperatury (J/kg·K).
Masa materiału magazynującego (m): ilość materiału magazynującego (kg).
Różnica temperatur (ΔT): różnica między maksymalną temperaturą magazynu a temperaturą otoczenia lub początkową temperaturą magazynu (K).

Układ

Kluczowymi cechami magazynów są pojemność, czyli ilość energii, jaką mogą zmagazynować oraz możliwe do osiągnięcia moce ładowania i rozładowania.
Gęstości mocy i energii odniesione do masy magazynu, jego objętości lub powierzchni, jaką zajmuje, pozwalają przybliżyć skalę zasobów koniecznych do zastosowania magazynu.
Warto również zwrócić uwagę na sprawność magazynu ciepła oraz jak się ona zmienia po wielu cyklach ładowania i rozładowania oraz żywotność. Pozwolą one ocenić czas i wartość generowanych oszczędności wynikających z inwestycji.
Temperatura magazynowania: dla zastosowań przemysłowych może wynosić nawet 350 – 1 300 °C, tak aby odpowiadać na wymagania procesów produkcyjnych lub energetycznych.

Każdy parametr powinien być osobno rozważony, aby jak najlepiej zintegrować magazyn ciepła z warunkami i wymaganiami procesowymi. Pozwala to na osiąganie najwyższych sprawności oraz najlepszych czasów zwrotu inwestycji.

Magazyny ciepła w praktyce – studium przypadku z wykorzystaniem technologii Kraftblock

Jednym z przykładowych rozwiązań magazynowania ciepła w przemyśle jest wdrożenie systemu przez niemiecką firmę COMET, producenta ceramiki technicznej. Dzięki innowacyjnej technologii opracowanej przez Kraftblock, COMET zdołał zoptymalizować zarządzanie energią w swoich procesach produkcyjnych. Instalacja tego systemu w fabryce, w której produkowane są ceramiczne tarcze szlifierskie, umożliwiła efektywne odzyskiwanie i ponowne wykorzystanie ciepła odpadowego generowanego przez piec pracujący w cyklu wsadowym.

Case Study: COMET i Kraftblock – innowacyjny magazyn ciepła

W 2020 roku w COMET został zainstalowany system magazynowania ciepła Kraftblock, zaprojektowany do przetwarzania i magazynowania ciepła odpadowego z pieców używanych w procesie produkcji ceramiki. Zamiast tracić tę energię, system Kraftblock odzyskuje ciepło o temperaturze do 600°C i magazynuje je w magazynie ciepła o pojemności 4,2 MWh. Następnie zgromadzona energia wewnętrzna jest wykorzystywana do wstępnego podgrzewania pieców przed kolejnymi cyklami produkcyjnymi, co umożliwia ich szybkie uruchomienie, na przykład po przerwach weekendowych, bez konieczności sięgania po paliwa kopalne.

Korzyści z zastosowania tej technologii są wielowymiarowe. Po pierwsze, COMET zyskał możliwość znacznego zmniejszenia emisji CO2, co przekłada się na redukcję emisji o około 330 ton rocznie. Po drugie, system zapewnia elastyczność operacyjną, umożliwiając podgrzewanie pieców w dogodnych momentach, np. w przerwach między dniami roboczymi. Dzięki temu czas potrzebny na rozruch pieca w poniedziałkowy poranek został znacznie skrócony, prowadząc tym samym do wzrostu efektywności energetycznej i oszczędności finansowych.

Dla COMET technologia magazynowania ciepła od Kraftblock stanowi kluczowy element strategii zrównoważonego rozwoju i dekarbonizacji. Case study podkreśla, jak innowacyjne podejścia do magazynowania energii mogą wspierać zarówno ekonomiczne, jak i ekologiczne cele firm działających w tradycyjnych gałęziach przemysłu.

Technologie magazynowania ciepła, takie jak ta stosowana przez COMET, mogą odegrać kluczową rolę w transformacji energetycznej, przyczyniając się do redukcji emisji i bardziej efektywnego wykorzystania zasobów energetycznych.

Podsumowanie

Magazynowanie ciepła stanowi istotny element zaawansowanych systemów energetycznych. Takie rozwiązanie, wykorzystując różnorodne metody akumulacji energii, oferuje wysoką efektywność oraz potencjalne korzyści ekonomiczne zarówno dla sektora przemysłowego, jak i dla indywidualnych użytkowników. Inwestycje w rozwój i implementację systemów magazynowania ciepła mogą znacznie przyczynić się do zwiększenia niezawodności dostaw energii oraz do optymalizacji wykorzystania zasobów odnawialnych, co jest kluczowe dla zrównoważonego rozwoju, redukcji śladu węglowego oraz wzrostu konkurencyjności przedsiębiorstwa.