Spis treści

1. 1. Czym są i jak działają magazyny chłodu w zastosowaniach przemysłowych?
   2. Kluczowe korzyści magazynów chłodu dla przedsiębiorstw przemysłowych
   3. Integracja magazynów chłodu w systemach trigeneracji
   4. Analiza opłacalności inwestycji w magazyny chłodu
   5. Kompleksowe wdrożenie magazynów chłodu w przedsiębiorstwie
   6. Działający magazyn chłodu
   7. Rozwój instalacji magazynowania chłodu

Czym są i jak działają magazyny chłodu w zastosowaniach przemysłowych? 

Magazyn chłodu to system umożliwiający akumulację chłodu w okresach niższego zapotrzebowania lub niższych kosztów produkcji, a następnie jej wykorzystanie w czasie szczytowego obciążenia lub gdy koszty wytworzenia chłodu są wyższe. Podstawowa zasada działania magazynów chłodu opiera się na zjawiskach fizycznych związanych z wymianą ciepła oraz zmianami stanu skupienia substancji. 

Podczas pracy systemu, w okresach niskiego zapotrzebowania na chłód lub niskich kosztów energii, urządzenie chłodnicze wytwarza chłód, który jest akumulowany w zbiorniku magazynującym. W okresach szczytowego zapotrzebowania na chłód lub wysokich kosztów energii, zgromadzony chłód jest wykorzystywany do pokrycia potrzeb chłodniczych instalacji, ograniczając lub całkowicie eliminując konieczność pracy urządzenia chłodniczego. 

Kluczowe korzyści magazynów chłodu dla przedsiębiorstw przemysłowych

Implementacja magazynów chłodu w środowisku przemysłowym przynosi szereg wymiernych korzyści, które przekładają się zarówno na aspekty ekonomiczne, jak i środowiskowe. 

Korzyści finansowe to niższe koszty energii (taryfy nocne), mniejsze opłaty za moc zamówioną i ograniczone wydatki na serwis. 

W procesach produkcyjnych zapewniają stabilne parametry chłodzenia, niezawodność, szybką reakcję na wzrost zapotrzebowania i ciągłość pracy. 

Środowiskowo redukują zużycie energii z sieci, umożliwiają wykorzystanie OZE, zmniejszają emisje CO₂ i ograniczają użycie czynników chłodniczych przez obniżenie mocy urządzeń, ich pracę w optymalnych warunkach oraz wydłużenie żywotności instalacji. 

Integracja magazynów chłodu w systemach trigeneracji

Szczególnie interesującym obszarem zastosowania magazynów chłodu jest ich integracja z systemami trigeneracji1 (skojarzonej produkcji energii elektrycznej, ciepła i chłodu). Magazyn chłodu stanowi w tym układzie dodatkowy element, który znacząco podnosi elastyczność całego systemu. 

Schemat integracji technologicznej zazwyczaj obejmuje też awansowany system sterowania optymalizujący pracę całego układu. 

Korzyści z takiej integracji to przede wszystkim:

• Zwiększenie efektywności wykorzystania paliwa 

• Możliwość pracy jednostki kogeneracyjnej z optymalnym obciążeniem, niezależnie od chwilowego zapotrzebowania na chłód 

Rysunek 1. Schemat koncepcyjny ładowania magazynu chłodu współpracującego z instalacją trigeneracji 

Rysunek 2. Schemat koncepcyjny rozładowania  magazynu chłodu współpracującego z instalacją trigeneracji 

• Magazyny chłodu a odnawialne źródła energii 

Magazyny chłodu odgrywają istotną rolę w efektywnym wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii (OZE) w przemyśle. Podstawowym wyzwaniem związanym z energią ze źródeł odnawialnych jest jej zmienność i nieprzewidywalność, co utrudnia dopasowanie podaży do popytu. W tym kontekście magazyny chłodu stają się narzędziem bilansowania . Główne obszary synergii między magazynami chłodu a OZE to wykorzystanie nadwyżek energii z instalacji fotowoltaicznych oraz stabilizację dostarczania chłodu do systemów zasilanych z niestabilnych źródeł odnawialnych. 

Magazyny chłodu mogą współpracować z różnymi technologiami OZE, korzystając z dostępnej energii elektrycznej do generacji chłodu (instalacje fotowoltaiczne, wiatrowe) lub bezpośrednio z chłodu (w tym wykorzystanie chłodzenia absorpcyjnego). 

Dzięki powyższym zwiększa się stopień samowystarczalności energetycznej przedsiębiorstwa i redukuje się zapotrzebowanie na energię z sieci w okresach szczytowych. 

Współpraca z systemami fotowoltaicznymi jest szczególnie korzystna, ponieważ szczyt produkcji energii z PV często pokrywa się z wysokim zapotrzebowaniem na chłód (np. w upalne, słoneczne dni). Nadwyżki energii elektrycznej z PV mogą być wykorzystane do produkcji chłodu, który następnie jest magazynowany i wykorzystywany w okresach niższej produkcji z PV lub wyższego zapotrzebowania na chłód. 

Rysunek 3. Schemat koncepcyjny ładowania magazynu chłodu współpracującego z instalacją OZE 

Rysunek 4. Schemat koncepcyjny rozładowania magazynu chłodu współpracującego z instalacją OZE 

Integracja magazynów chłodu z OZE przyczynia się do redukcji kosztów energii, zwiększenia niezależności energetycznej oraz zmniejszenia śladu węglowego przedsiębiorstwa. 

Analiza opłacalności inwestycji w magazyny chłodu 

Decyzja o implementacji magazynu chłodu powinna być poprzedzona szczegółową analizą ekonomiczną, uwzględniającą zarówno koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, jak i potencjalne oszczędności oraz okres zwrotu z inwestycji. 

Potencjalne oszczędności wynikające z implementacji magazynu chłodu to redukcja kosztów energii elektrycznej (wykorzystanie tańszych taryf) i opłat za moc zamówioną. Innym aspektem, nie generującym bezpośrednich oszczędności, jednak istotnym, jest wydłużenie żywotności urządzeń chłodniczych. 

• Okres zwrotu z inwestycji w magazyn chłodu jest zróżnicowany i zależy od wielu czynników, takich jak: 

• Wielkość i charakter zapotrzebowania na chłód 

• Różnice w cenach energii w różnych godzinach doby 

• Czas zwrotu jest skorelowany będzie również z możliwymi programami wsparcia. 

Kompleksowe wdrożenie magazynów chłodu w przedsiębiorstwie 

Efektywne wdrożenie magazynu chłodu w przedsiębiorstwie przemysłowym wymaga kompleksowego podejścia, obejmującego kilka kluczowych etapów: 

1.  analiza potrzeb i audyt energetyczny, które identyfikują potrzeby, określają oszczędności i określają możliwości techniczne; 

•  projektowanie systemu, które uwzględnia optymalną technologię, koncepcje, systemy wspomagające oraz sterowanie; 

•  faza implementacji, obejmująca przygotowanie formalne, prace budowlane, instalacyjne oraz rozruchowe; 

•  wsparcie posprzedażowe, które zapewnia monitoring wydajności systemu, regularne przeglądy oraz wsparcie techniczne w przypadku awarii lub problemów. 

Profesjonalne podejście do wdrożenia magazynu chłodu, gwarantuje osiągnięcie optymalnych rezultatów ekonomicznych i środowiskowych. 

Działający magazyn chłodu 

Przykład instalacji magazynu chłodu w warstwach wodonośnych znajduje się pod Gmachem Parlamentu w Berlinie, który funkcjonuje od 1999 r. Pod budynkiem znajdują się dwa sezonowe magazyny – ciepła (na głębokości 300 m) i chłodu (na głębokości 60 m). 

Magazyn chłodu o parametrach 6-11*C zawiera zimną wodę, schładzaną zimą, a latem wykorzystywaną latem do klimatyzacji². Zastosowanie magazynów pozwoliło na redukcję rocznej emisji CO² z ok. 7000 do 400–1000 ton, a także odzyskanie prawie 4 GWh³ chłodu rocznie. 

Rysunek 5. Ilustracja położenia magazynów chłodu i ciepła pod budynkiem Reichstagu²

Rozwój instalacji magazynowania chłodu 

Technologia magazynowania chłodu w celu ograniczenia dynamiki pracy maszynowni chłodniczych i przekierowanie maksymalnego obciążenia sprężarkowych agregatów na pozaszczytowy okres doby nie jest nowością w przypadku rozległych systemów o wysokiej mocy zainstalowanej. W Europie jedną z pierwszych wielkoskalowych implementacji tej technologii była centralna instalacja wody lodowej, zasilająca w chłód budynki kulturalne, administracyjne i biurowe w centrum Paryża. Jako kolejne przykłady można przytoczyć mniejsze projekty na terenie Niemiec, Danii, Holandii, Hiszpanii i Włoch. Na poniższym rysunku przedstawiono rozwój rynku magazynów chłodu w przypadku dużych instalacji zasilających centralne sieci chłodnicze. 

Rysunek 6. Trend przyrostu zainstalowanej pojemności magazynów chłodu w Europie 

Na powyższym rysunku przedstawiono duże instalacje jednak przedstawiony trend jest skalowany względem mocy instalacji, co w środowisku stale rosnących cen nośników energii sugeruje dynamiczny rozwój technologii magazynowania chłodu w najbliższych latach. 

W dobie transformacji energetycznej i dążenia do dekarbonizacji procesów przemysłowych, magazyny chłodu stanowią technologię o znaczącym potencjale zarówno ekonomicznym, jak i ekologicznym. Ich implementacja pozwala na istotną optymalizację kosztów energii, zwiększenie efektywności energetycznej oraz redukcję śladu węglowego przedsiębiorstwa.