Projekt okładki i stron tytułowych: GRAFOS

Fotografia na okładce: chungking/fotolia

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji:Adam Kowalski

Redaktor: Joanna Forysiak

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Natalia Popiel (Natalia.Popiel@pwn.pl)

Recenzent: prof. dr hab. inż. Aleksander A. Stachel

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Aneta Pudzisz / Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2018

ISBN 978-83-01-20326-9

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2018 r., (wyd. I)

Warszawa 2018

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

1. Magazynowanie energii podstawą rozwoju energetyki odnawialnej – Dorota Chwieduk

1.1. Rola magazynowania energii

1.2. Oddziaływanie promieniowania słonecznego na Ziemię

1.3. Magazynowanie ciepła w systemach energetyki odnawialnej

1.4. Magazynowanie energii elektrycznej

Literatura

2. Podstawowe metody magazynowania ciepła – Maciej Jaworski

2.1. Wprowadzenie

2.2. Klasyfikacja technologii magazynowania ciepła

2.3. Akumulacja ciepła z wykorzystaniem ciepła właściwego czynników roboczych

2.4. Akumulacja ciepła z wykorzystaniem ciepła przemian fazowych

2.5. Akumulacja ciepła z wykorzystaniem reakcji chemicznych i procesów sorpcyjnych

Literatura

3. Długoterminowe magazynowanie ciepła – Dorota Chwieduk

3.1. Idea długoterminowego magazynowania ciepła

3.2. Podstawowe cechy długoterminowych magazynów ciepła

3.3. Gruntowe magazyny ciepła

Literatura

4. Magazynowanie ciepła przy wykorzystaniu materiałów zmiennofazowych (PCM) – Maciej Jaworski

4.1. Wprowadzenie

4.2. Materiały zmiennofazowe

4.3. Właściwości materiałów zmiennofazowych

4.4. Konstrukcje zasobników ciepła z materiałami PCM

4.5. Akumulacja ciepła w materiałach PCM zintegrowanych ze strukturą budynku

Literatura

5. Magazynowanie chłodu – Andrzej Grzebielec, Adam Szelągowski

5.1. Wprowadzenie

5.2. Ogólna idea magazynowania chłodu

5.3. Magazynowanie chłodu w instalacjach wodnych bez przemiany fazowej

5.4. Magazynowanie chłodu z wykorzystaniem przemiany fazowej czynnika roboczego

5.5. Magazynowanie z wykorzystaniem układów sorpcyjnych

Literatura

6. Podstawy pozyskiwania energii słonecznej – Dorota Chwieduk

6.1. Widmo promieniowania słonecznego

6.2. Dostępność energii promieniowania słonecznego

6.3. Podstawowe modele promieniowania słonecznego padającego na dowolnie usytuowaną powierzchnię

Literatura

7. Bilans cieplny budynku. Pasywne systemy słoneczne – Dorota Chwieduk

7.1. Bilans cieplny powietrza w budynku

7.2. Przepływ ciepła przez ściany zewnętrzne i magazynowanie ciepła w budynku

7.3. Rola pojemności cieplnej przegród w kształtowaniu stanów termicznych budynku

7.4. Słoneczne systemy pasywne

Literatura

8. Słoneczne aktywne systemy grzewcze – Dorota Chwieduk

8.1. Zasada funkcjonowania. Podstawowa klasyfikacja

8.2. Podstawowe elementy aktywnych systemów słonecznych

Literatura

9. Magazynowanie ciepła w słonecznych instalacjach grzewczych – Jarosław Bigorajski, Michał Chwieduk

9.1. Magazynowanie krótkoterminowe

9.2. Praktyczna realizacja magazynów krótkoterminowych i ocena ich efektywności

Literatura

10. Systemy fotowoltaiczne – Bartosz Chwieduk

10.1. Podział systemów ze względu na ich moc

10.2. Systemy autonomiczne i podłączone do sieci

10.3. Moduły fotowoltaiczne

10.4. Akumulatory fotowoltaiczne

10.5. Inwertery fotowoltaiczne

10.6. Wymiarowanie instalacji

Literatura

11. Systemy PV/T fotowoltaiczno-cieplne – Jarosław Bigorajski

11.1. Wprowadzenie

11.2. Podstawy teoretyczne działania modułów PV/T fotowoltaiczno-cieplnych

11.3. Rodzaje modułów PV/T

11.4. Magazynowanie energii

11.5. Zastosowania modułów PV/T

Literatura

12. Słoneczne chłodzenie – Adam Szelągowski

12.1. Wprowadzenie

12.2. Technologie stosowane w chłodzeniu słonecznym

12.3. Elementy systemów chłodzenia słonecznego

12.4. Układ chłodniczy i jego systemy napędowe

12.5. Systemy dystrybucji chłodu

12.6. Systemy odprowadzenia ciepła odpadowego

12.7. Podstawowe obliczenia/ocena systemu

12.8. Podsumowanie

Literatura

13. Sprężarkowe pompy ciepła – Adam Szelągowski

13.1. Wprowadzenie

13.2. Historia sprężarkowych pomp ciepła

13.3. Zasada działania sprężarkowych pomp ciepła

13.4. Podział sprężarkowych pomp ciepła

13.5. Dolne źródła ciepła

13.6. Opłacalność stosowania pomp ciepła

13.7. Podsumowanie

Literatura

14. Sorpcyjne pompy ciepła – Andrzej Grzebielec

14.1. Wprowadzenie

14.2. Absorpcyjne pompy ciepła

14.3. Adsorpcyjne pompy ciepła

14.4. Magazynowanie ciepła z wykorzystaniem układów sorpcyjnych

Literatura

15. Słoneczne systemy hybrydowe – Bartosz Chwieduk

15.1. Wprowadzenie

15.2. Wykorzystanie instalacji fotowoltaicznej do celów grzewczych

15.3. Współpraca systemu fotowoltaicznego i pompy ciepła

15.4. Współpraca systemu fotowoltaicznego i siłowni wiatrowych

15.5. Współpraca systemu fotowoltaicznego z urządzeniami klimatyzacyjnymi

15.6. Współpraca systemu fotowoltaicznego z urządzeniami grzewczymi i klimatyzacyjnymi

Literatura

16. Magazynowanie ciepła w elementach budynku i systemu ogrzewania – Hanna Jędrzejuk

16.1. Wprowadzenie

16.2. Struktura systemów ogrzewania w Polsce

16.3. Sposoby akumulacji ciepła w systemach ogrzewania

Literatura

17. Niekonwencjonalne zintegrowane systemy HVAC – Stefan Żuchowski

17.1. Definicja HVAC

17.2. Rozwiązania HVAC – stan obecny

17.3. Systemy zintegrowane

17.4. Niekonwencjonalne zintegrowane systemy HVAC (OWK)

17.5. Podsumowanie

Literatura

18. Systemy wieloźródłowe – Stefan Żuchowski, Kamil Różycki

18.1. Wprowadzenie

18.2. Definicja głównych pojęć

18.3. Podział systemów wieloźródłowych

18.4. Magazyny energii stosowane w systemach wieloźródłowych

18.5. Zbiorniki buforowe czynnika grzewczego

18.6. Zbiornik buforowy pełniący funkcję sprzęgła hydraulicznego

18.7. Zbiornik buforowy na powrocie z instalacji

18.8. Zbiornik buforowy z okresowym przepływem czynnika

18.9. Dobór pojemności zbiorników buforowych czynnika grzewczego

18.10. Pojemnościowe podgrzewacze ciepłej wody użytkowej

18.11. Układy szeregowe podgrzewaczy wody

18.12. Określenie wymaganej pojemności dla podgrzewaczy wody

18.13. Zbiorniki buforowe wielofunkcyjne

18.14. Zbiornik buforowy typu „zbiornik w zbiorniku”

18.15. Zbiornik buforowy z wbudowanym przepływowym podgrzewaczem wody w postaci wężownicy

18.16. Zbiornik buforowy z przepływowym podgrzewaczem wody wyposażonym w wymiennik ciepła o dużej powierzchni, tzw. modułem świeżej wody

18.17. Podsumowanie

Literatura

19. Wykorzystanie energii słonecznej przy termomodernizacji budynków – Kamil Różycki

19.1. Wprowadzenie

19.2. Definicja głównych pojęć

19.3. Działania termomodernizacyjne

19.4. Zastosowanie energii słonecznej podczas termomodernizacji budynku

19.5. Wykorzystanie energii słonecznej przy termomodernizacji budynków w praktyce

19.6. Podsumowanie

Literatura

20. Gruntowe magazyny ciepła – Michał Chwieduk

20.1. Właściwości fizyczne czynnika magazynującego

20.2. Wymiarowanie gruntowego/skalnego magazynu ciepła

20.3. Gruntowe wymienniki ciepła

20.4. Proces wymiany ciepła w gruncie

20.5. Osiągane efektywności magazynów gruntowych

Literatura

21. Magazynowanie wodoru, ogniwa paliwowe – Wojciech Bujalski, Marcin Wołowicz

21.1. Wprowadzenie

21.2. Zasada działania

21.3. Podział ogniw paliwowych

21.4. Ogniwa SOFC

21.5. Ogniwa PEMFC

21.6. Magazynowanie wodoru

21.7. Podsumowanie

Literatura

22. Energetyczne wykorzystanie biomasy – Piotr Krawczyk

22.1. Definicje biomasy

22.2. Charakterystyka drzewnych paliw biomasowych

22.3. Wykorzystanie biomasy do produkcji ciepła w systemach lokalnych

22.4. Wykorzystanie biomasy do produkcji ciepła i energii elektrycznej w systemach lokalnych

22.5. Podsumowanie

Literatura

1. Magazynowanie energii podstawą rozwoju energetyki odnawialnej

Dorota Chwieduk

1.1. Rola magazynowania energii

Magazynowanie różnych form energii jest obecnie bardzo istotnym zagadnieniem, w szczególności gdy dane źródło jest dostępne okresowo, a jego moce są silnie zmienne w czasie. Co więcej, magazynowanie energii pomaga osiągnąć samowystarczalność energetyczną i zabezpiecza przed stanem awaryjnym urządzeń i instalacji, w tym brakiem zasilania energią. Magazynowanie energii jest więc konieczne dla bezpieczeństwa energetycznego w mikro-, małej i wielkiej skali. Staje się ono coraz bardziej istotne dla tradycyjnych systemów energetycznych bazujących na paliwach kopalnych w celu uniknięcia tzw. blackoutów. Magazynowanie energii jest też podstawowym problemem współczesnej energetyki odnawialnej [1].

Ostatnio szybko wzrasta nasycenie rynku technologiami energetyki odnawialnej, a źródła energii odnawialnej mają często charakter stochastyczny. Uważa się, że to właśnie brak wysokoefektywnych i tanich technologii magazynowania ogranicza rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Rozwiązanie choć części problemów związanych z magazynowaniem energii doprowadziłoby do znacznych oszczędności w zużyciu paliw kopalnych, racjonalizacji wykorzystania istniejących zasobów, a w konsekwencji służyłoby zapewnieniu poszanowania energii i ochronie środowiska.

Magazynowanie energii kompensuje lub znacznie zmniejsza okresowe zachwiania w bilansie energetycznym występujące między zapotrzebowaniem na energię – popytem a jej dostarczaniem – podażą. Tak jak w ekonomii dla prawidłowego rozwoju gospodarki niezbędne jest wprowadzanie odpowiednich metod i instrumentów służących do równoważenia popytu z podażą, tak samo jest to istotne dla energetyki, i to zarówno w skali makro, jak i mikro. Jeżeli czas wytwarzania energii i możliwości jej dostarczania do odbiorcy nie są spójne z czasem zapotrzebowania na tę energię, wtedy podstawowym sposobem zrównoważenia bilansu energetycznego, popytu na energię z jej podażą, jest akumulacja energii.

Magazynowanie energii o charakterze krótkoterminowym jest powszechnie stosowane w odniesieniu do ciepła [2]. Przykładem mogą być domowe zasobniki ciepłej wody użytkowej. Magazynowanie krótkoterminowe umożliwia stosowanie systemów o mniejszej maksymalnej mocy zainstalowanej. Jednocześnie dzięki możliwości magazynowania energii można korzystać z tańszej energii, jeżeli występują różnice w taryfach i jest stosowana np. taryfa nocna. W energetyce konwencjonalnej w ciepłowniach i elektrociepłowniach wielkich mocy coraz częściej stosuje się wielogabarytowe zasobniki ciepła [3].

Stosowanie długoterminowego, w tym sezonowego, magazynowania ciepła jest ciągle znacznie mniej popularne [4], [5]. Powodem takiej sytuacji nie jest jednak mały potencjał techniczny ciepła nadającego się do długoterminowej akumulacji; wręcz odwrotnie – latem istnieją duże nadwyżki niewykorzystanego ciepła. Możliwość zmagazynowania nadmiaru ciepła umożliwiłaby zbilansowanie wytwarzania energii latem z jej zużyciem zimą. Rzeczywiste wykorzystanie i zmagazynowanie istniejących nadwyżek jest więc bardzo wskazane, ale niestety jeszcze ciągle ograniczone czynnikami ekonomicznymi, a także, chociaż w mniejszym stopniu, trudnościami technicznymi.

Istnieje duży potencjał ciepła odpadowego w wielu procesach przemysłowych. Zwykle nie ma bezpośredniego zapotrzebowania na nie i jest ono bezpowrotnie tracone. Wskazane byłoby więc magazynowanie tego ciepła w celu jego późniejszego wykorzystania zgodnie z istniejącym zapotrzebowaniem, aby poprawić efektywność energetyczną całości zachodzących procesów pozyskiwania, przetwarzania i wykorzystania energii. Na przykład spalarnia śmieci działa w cyklu tygodniowym (jedno- lub dwu-) albo miesięcznym, a wytwarzane ciepło jest wykorzystywane tylko w niewielkiej części w sposób bezpośredni (od razu), większość jest tracona (oddawana do otoczenia). Magazynowanie ciepła powinno więc, w zależności od sytuacji (w tym przypadku częstotliwość pracy spalarni), mieć charakter tygodniowy lub miesięczny. Takie ciepło mogłoby zasilać w trybie ciągłym osiedlową sieć ciepłowniczą. Jednak stosowanie magazynowania jest obecnie mało popularne, co wynika przede wszystkim z wysokich nakładów inwestycyjnych na długoterminowe magazyny ciepła, a także często z kosztów ich eksploatacji lub też po prostu z powodu braku odpowiednich technologii, które proces magazynowania uczyniłyby efektywnym w długim okresie (odpowiedniego dobrze izolowanego ośrodka magazynującego, dużego magazynu, dostępności miejsca na jego lokalizację).

Magazynowanie energii w sposób oczywisty równoważy zapotrzebowanie na energię z jej dostarczaniem. Pozyskiwanie i przetwarzanie energii może odbywać się w innym czasie niż jej zużycie. Jak już wspomniano, magazynowanie energii jest podstawą wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych, szczególnie jeśli wydajność energetyczna systemów energetyki odnawialnej ma być duża [6]–[11].

1.2. Oddziaływanie promieniowania słonecznego na Ziemię

Magazynowanie ciepła jest procesem powszechnie występującym na Ziemi, a magazynowanie energii promieniowania słonecznego w postaci ciepła w wyniku zachodzącej konwersji fototermicznej decyduje o życiu na Ziemi. Opisy oddziaływania promieniowania słonecznego na bilans cieplny Ziemi można znaleźć w literaturze [10]–[13].

Strumień energii wysyłany przez powierzchnię Słońca AS wynosi = 3,85 · 10^26 W. Emisyjność właściwa Słońca (strumień energii wypływający z jednostkowego pola zewnętrznej gazowej powierzchni Słońca) wynosi 63,11 MW/m^2. Emisyjność właściwa na powierzchni sfery, na której znajduje się Ziemia, wynosi 1366 W/m^2 (jest to tzw. stała słoneczna). Natomiast całkowity strumień energii promieniowania słonecznego na zewnętrznych warstwach atmosfery wynosi 1,74 · 10^17 W.

Około 28% strumienia energii promieniowania słonecznego, docierającego do zewnętrznych warstw atmosfery w ilości 0,49 · 10^17 W, jest odbijane (tzw. albedo atmosfery) i powraca w przestrzeń kosmiczną. Pozostała część promieniowania słonecznego, wynosząca 1,25 · 10^17 W, wnika do biosfery ziemskiej. Przez biosferę przechodzi średnio około 264 W/m^2 strumienia energii promieniowania słonecznego (w odniesieniu do całej powierzchni Ziemi), z czego 34% jest pochłanianie w atmosferze przez gazowe cząsteczki atmosfery, czyli podlega konwersji fototermicznej. W wyniku pochłaniania rośnie energia wewnętrzna cząsteczek atmosfery, ich temperatura wzrasta. Pozyskana energia jest przede wszystkim wykorzystywana do przemian fazowych wody, dzięki czemu na Ziemi występuje zamknięty cykl obiegu wody, w znacznie mniejszym stopniu powoduje ona też ruchy powietrza atmosferycznego (powstanie wiatrów). Ostatecznie do powierzchni Ziemi dociera średnio około 66% całkowitego strumienia energii promieniowania słonecznego przechodzącego przez biosferę. co odpowiada 162 W/m^2. Całkowity strumienia docierający do powierzchni Ziemi (66% z 125 · 10^15 W), na poziomie około 80 · 10^15 W, jest pochłaniany przez oceany i grunt, powodując przyrost ich energii wewnętrznej. Na wspomniane przemiany fazowe wody przypada 40 · 10^15 W, na ruchy powietrza atmosferycznego 3 · 10^15 W, a około 0,03 · 10^15 W jest wykorzystywane w procesach fotosyntezy. Istnieją też zyski na samej Ziemi:

- zyski na poziomie 1 · 10^15 W wynikające z ciepła wnętrza Ziemi (geotermia),

- 0,012 · 10^15 W pochodzące ze spalania paliw,

- około 0,001 · 10^15 W będące efektem pływów morskich.

Aby bilans energetyczny Ziemi był zachowany, strumień energii wnikający w biosferę w postaci promieniowania słonecznego (krótkofalowego) jest wypromieniowywany w postaci promieniowania długofalowego w przestrzeń kosmiczną (w ilości 125 · 10^15 W).

Jak już wspomniano, promieniowanie słoneczne jest pochłaniane przez oceany i grunt oraz obiekty się na nim znajdujące, co powoduje przyrost energii wewnętrznej gruntów i oceanów. Promieniowanie słoneczne podlega konwersji fototermicznej, a pozyskane ciepło jest zakumulowane w poszczególnych ośrodkach lub wymieniane z innymi obiektami w bliższym i dalszym otoczeniu. Stąd Ziemia i obiekty się na niej znajdujące są swoistymi magazynami ciepła. Akumulacja ciepła w sposób naturalny odbywa się cały czas w różnych ciałach, głównie stałych i ciekłych, w różnym czasie. Stosując planowane metody magazynowania ciepła, człowiek często naśladuje naturę. Problemem jest bowiem zmienny w czasie, często stochastyczny charakter dostępności energii ze źródeł odnawialnych i często występująca niekoherentność (brak spójności) między czasem występowania energii ze źródła odnawialnego i jej strumieniem a czasem i wielkością zapotrzebowania na tę energię.

Problem stochastyczności dotyczy energii promieniowania słonecznego i energii wiatru (będącej zresztą pochodną energii promieniowania słonecznego). Co więcej, mamy nie tylko problem ze zmiennym w czasie natężeniem promieniowania słonecznego i zmienną prędkością i kierunkiem wiatru, lecz także dodatkowo z okresowym brakiem dostępności do tych źródeł energii (noc – brak promieniowania słonecznego, cisza – brak wiatru). Oznacza to, że konieczność magazynowania energii jest szczególnie ważna właśnie w systemach wykorzystujących energię promieniowania słonecznego i wiatru w celu zapewnienia efektywnego, stałego i niezakłóconego w czasie dostarczania energii do odbiorcy końcowego. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że energia promieniowania słonecznego ma także charakter deterministyczny: znane są godziny wschodu i zachodu słońca w kolejnych dniach roku, rozkład dzienny i wielkość natężenia promieniowania słonecznego przy braku zachmurzenia. To właśnie zachmurzenie, a także stan atmosfery związany z jej zapyleniem, obecnością aerozoli i innych zanieczyszczeń, wprowadzają stochastyczność zjawisk i zakłócają możliwość planowego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego do celów użytkowych, w konsekwencji narzucając konieczność magazynowania energii.

1.3. Magazynowanie ciepła w systemach energetyki odnawialnej

Jak już wspomniano, wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w sposób efektywny jest związane z koniecznością jej magazynowania w krótkim i długim przedziale czasu. Okresowa i zmienna w czasie dostępność promieniowania słonecznego powoduje stosowanie różnych metod magazynowania ciepła. Wykorzystuje się przede wszystkim magazynowanie przez wykorzystanie ciepła właściwego ośrodka magazynującego. W instalacjach słonecznych powszechnie stosowanym medium magazynującym jest woda [6]–[13].

Problem stochastyczności nie dotyczy natomiast wykorzystania energetycznego biomasy [14], [15]. Odpowiednie zasoby zmagazynowanej biomasy, jako surowca do procesów energetycznych, takich jak: spalanie, gazyfikacja, fermentacja, piroliza, itp., mogą zapewnić ciągłość, a przez to niezawodność dostarczania energii do odbiorcy. W tym przypadku magazynowanie dotyczy surowca (biomasy przygotowanej do wykorzystania do celów energetycznych), jak również pozyskanego paliwa, np. biogazu czy biooleju magazynowanych w odpowiednich zbiornikach. Można oczywiście akumulować energię końcową pochodzącą z procesów energetycznego przetwarzania biomasy, w przypadku ciepła – w zasobnikach ciepłej (gorącej) wody w ciepłowni lub elektrociepłowni, w przypadku energii elektrycznej – w akumulatorach lub w postaci sprężonego powietrza, co jest jednak ciągle mało popularne.

Problem stochastyczności nie występuje także w przypadku geotermii, czyli przy wykorzystaniu ciepła z głębi ziemi. Ciepłownia lub elektrociepłownia geotermalna może zapewnić ciągłość dostaw energii do odbiorcy [16], [17]. Często jednak stosowane są wodne zasobniki ciepła w samej ciepłowni, zwłaszcza jeśli występują zmienne w czasie obciążenia grzewcze, co jest typowe dla układów ogrzewania pomieszczeń.

W przypadku płytkiej geotermii, czyli wykorzystania gruntu jako źródła ciepła dla pompy ciepła [18], [19] za pośrednictwem wymienników poziomych lub pionowych, problem stochastyczności też nie występuje. Grunt jest źródłem ciepła niskotemperaturowego, a tak naprawdę również naturalnym magazynem ciepła pozyskiwanego z otoczenia zewnętrznego i przepływającego z głębi Ziemi, chociaż dla małych głębokości udział ciepła z głębokich warstw jest nieznaczny. Odbiór ciepła z gruntu może teoretycznie odbywać się w sposób ciągły, ale w celu zapewnienia bardziej wydajnej pracy systemu grzewczego stosuje się wodne zasobniki ciepła, a pompa ciepła pracuje okresowo.

Pompa ciepła może też wykorzystywać inne odnawialne źródła energii, których dostępność i koherentność są zróżnicowane [17], [18]. Temperatura wód gruntowych jest zwykle stała w roku – w tym przypadku również mamy do czynienia z naturalnym magazynem ciepła, jakim są właśnie wody podziemne i warstwy gruntu z nimi sąsiadujące (często w postaci tzw. aquifera). Wody powierzchniowe, rzeki, jeziora, stawy, mogą również być wykorzystywane jako dolne źródła ciepła i stanowią naturalne zasobniki ciepła, ale jest ono zwykle względnie szybko tracone, zwłaszcza zimą, na skutek oddziaływania otoczenia o niskich temperaturach i wiatru. Najmniej stabilnym cieplnie dolnym źródłem pompy ciepła jest powietrze atmosferyczne (otoczenia zewnętrznego) i trudno je traktować jako naturalny magazyn ciepła (szybka zmiana temperatury nawet w krótkim czasie; brak powierzchni ograniczających powietrze jako ośrodek magazynujący, jak w typowych zasobnikach).

Należy podkreślić, że praktycznie wszystkie instalacje grzewcze wykorzystujące odnawialne źródła ciepła są wyposażone w zasobniki ciepła. Co prawda, pompy ciepła w instalacjach grzewczych jeszcze nie tak dawno pracowały, bezpośrednio dostarczając ciepło do systemu ogrzewania pomieszczeń (wodnego lub powietrznego). Obecnie pompa ciepła może dostarczać ciepło zarówno bezpośrednio do ogrzewanych pomieszczeń, jak i do zasobników ciepła. W konsekwencji jej czas pracy może być inny niż czas pracy instalacji ogrzewania (zwykle niskotemperaturowego podłogowego lub ściennego).

W przypadku magazynowania ciepła wykorzystuje się pojemność cieplną ośrodka magazynującego (wyrażaną w kJ/K), która określa zdolność do akumulacji ciepła (w kJ) przy zmianie temperatury ośrodka o 1 K. Magazynowanie może się odbywać dzięki wykorzystaniu ciepła właściwego ośrodka magazynującego (wyrażanego w kJ/(kg K)), które powinno być jak największe. Najczęściej ciepło magazynuje się w ciałach stałych (skałach, gruncie, materiałach budowlanych: fundamentach, stropach, bloczkach betonowych, cegle itp.) oraz w cieczach (wodzie, olejach, ciekłych woskach, niektórych czynnikach chłodniczych).

Najbardziej rozpowszechnione jest magazynowanie ciepła wykorzystujące ciepło właściwe medium magazynującego, jakim jest woda. W przypadku wodnych zasobników grzewczych instalacji niskotemperaturowych, np. z pompami ciepła, kolektorami słonecznymi, ważne jest wykorzystanie efektu stratyfikacji ciepła w zasobniku [20], [21]. Efekt stratyfikacji, czyli uwarstwienia ciepła, umożliwia magazynowanie ciepła o różnej temperaturze, dostarczanego do odpowiedniej strefy temperaturowej zasobnika (ze wzrostem wysokości rośnie temperatura w zasobniku), oraz odbiór ciepła o różnej temperaturze w zależności od celu, do jakiego ciepło ma być wykorzystywane. Ciepło do zaspokojenia potrzeb c.w.u. ma wyższą temperaturę niż ciepło do ogrzewania pomieszczeń w systemach niskotemperaturowych, czyli przy ogrzewaniu podłogowym lub ściennym. Magazynowanie ciepła w takich zasobnikach ma zwykle charakter krótkoterminowy i umożliwia stosowanie systemów o mniejszej maksymalnej mocy zainstalowanej niż system bez magazynowania.

Magazynowanie może się również odbywać dzięki wykorzystaniu ciepła utajonego, występującego przy przemianach fazowych ośrodka magazynującego, czyli przy przejściu z jednego stanu skupienia w drugi. W budownictwie wykorzystuje się takie przemiany, które zachodzą przy zmianie stanu stałego na ciekły, kiedy zachodzi pochłanianie i magazynowanie ciepła, a następnie przy zmianie stanu ciekłego na stały, kiedy to z kolei ma miejsce uwalnianie zmagazynowanego ciepła, przy czym charakterystyczne jest, że temperatura przemiany fazowej (topnienie, zestalanie) jest praktycznie stała [22]–[26].

Magazynowanie ciepła może się także odbywać dzięki wykorzystaniu odwracalnych reakcji chemicznych i procesów sorpcyjnych, co nazywane jest akumulacją termochemiczną ciepła. Przemiana chemiczna ma charakter endotermiczny, kiedy zachodzi pochłanianie ciepła i jego akumulacja. Dostarczane ciepło podlega konwersji w energię chemiczną i w tej postaci jest magazynowane. Natomiast uwalnianie zmagazynowanego ciepła odbywa się w przemianach egzotermicznych. Zmiany entalpii w czasie zachodzących przemian chemicznych są znacznie większe niż w przypadku przemian fazowych.

Tabela 1.1 ilustruje różne gęstości magazynowania uzyskane w wyniku stosowania głównych metod magazynowania ciepła dla przykładowych ośrodków [26].

Analizując dane zamieszczone w tabeli 1.1, można wyraźnie zaobserwować, że najbardziej wydajnymi procesami magazynowania są te zachodzące przy wykorzystaniu reakcji chemicznych. Są one jednak najbardziej złożone, a przez to najmniej powszechne. Natomiast magazynowanie ciepła przy wykorzystaniu ciepła właściwego danego ośrodka jest najprostsze, a dzięki temu najczęściej stosowane; co więcej, jest powszechnym naturalnym sposobem magazynowania ciepła na Ziemi. Drugim powszechnym zjawiskiem magazynowania ciepła jest akumulacja i uwalniane (oddawanie) ciepła w procesach przemian fazowych.

Tab. 1.1. Podstawowe parametry głównych technologii magazynowania ciepłą dla wybranych ośrodków magazynujących wg [26]

Rodzaj technologii magazynowania

Materiał

Energia zmagazynowana objętościowo [MJ/m^3]

Energia zmagazynowana masowo [kJ/kg]

Zakres temperatur lub temperatura i ciśnienie

Ciepło właściwe

Granit

50

17

ΔT= 20 K

Woda

84

84

ΔT= 20 K

Ciepło utajone

Woda

306

330

Tt = 0°C

Parafiny

180

200–250

Tt = 5–130°C

Hydraty soli

300

200–300

Tt = 5–130°C

Sole

600–1500

300–700

Tt = 300–800°C

Reakcje chemiczne

H_2 gaz (utlenianie)

11

120 000

300 K, 1 bar

H_2 gaz (utlenianie)

2160

120 000

300 K, 200 bar

H_2 ciecz (utlenianie)

8400

120 000

20 K, 1 bar

Gaz ziemny

32

45 000

300 K, 1 bar

Benzyna

33 000

44 000

1.4. Magazynowanie energii elektrycznej

Magazynowanie energii elektrycznej, jak i ona sama, w sposób naturalny występuje rzadko. Podstawowym, najbardziej znanym naturalnym zjawiskiem, w którym na skutek różnicy potencjałów zachodzi przepływ energii elektrycznej, jest wyładowanie atmosferyczne. Ma tu miejsce przepływ ładunków między chmurami a ziemią. Przepływ ładunków, ale już przy znacznie mniejszej różnicy potencjałów, zachodzi także w czasie zjawisk elektrostatycznych (pocierania odpowiednich materiałów), jednakże są one o wiele mniej powszechne niż zjawiska przemian cieplnych.

Stosowane obecnie metody magazynowaniu energii elektrycznej dotyczą dwóch podstawowych technologii:

- magazynowania bezpośredniego w polu elektrycznym i magnetycznym,

- magazynowania pośredniego, wykorzystującego konwersję energii elektrycznej na inną postać energii, np. kinetyczną, potencjalną, chemiczną itp.

Najbardziej powszechną metodą magazynowania energii elektrycznej jest gromadzenie jej w akumulatorach. Akumulatory są rodzajem ogniwa galwanicznego z dwiema elektrodami zanurzonymi w elektrolicie. W wyniku odwracalnych reakcji chemicznych zachodzących w akumulatorze energia jest akumulowana (energia elektryczna ulega przemianie w energię chemiczną), a później uwalniana (energia chemiczna podlega konwersji w energię elektryczną). Akumulatory są powszechnie stosowane w autonomicznych, tzw. wyspowych, czyli niepodłączonych do sieci elektroenergetycznej elektrowniach fotowoltaicznych i wiatrowych (różnej mocy) ze względu na wspomniany stochastyczny charakter dostępności do źródeł energii i ich wydajności. Akumulatory mogą też być stosowane w instalacjach podłączonych do sieci, mających równocześnie funkcję własnego magazynowania pozyskanej energii elektrycznej. Istotnym parametrem akumulatorów jest ich pojemność, która opisuje zdolność akumulatora do przechowywania ładunku elektrycznego i zazwyczaj wyrażana jest w amperogodzinach [Ah] lub w watogodzinach [Wh].

Akumulatory stosowane w instalacjach fotowoltaicznych, a także wiatrowych, różnią się od standardowych akumulatorów stosowanych w elektroenergetyce i telekomunikacji [8], [27]–[29]. Wynika to przede wszystkim ze zmiennych warunków ładowania i rozładowywania akumulatorów, co jest wynikiem stochastycznego charakteru źródeł energii słonecznej i wiatrowej. Akumulatory te pełnią zwykle funkcję bufora i rzadko są w stanie całkowitego naładowania. Mogą natomiast znajdować się przez dłuższy czas w stanie całkowitego rozładowania, jak i przeładowania. Nie pracują w regularnych cyklach ładowanie–rozładowanie i zwykle działają w szerokim zakresie temperatur. Tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe (wodny roztwór kwasu siarkowego pełni funkcję elektrolitu, elektrody są wykonane z ołowiu – katoda i tlenku ołowiu – anoda) mogą być stosowane, jeśli są wyposażone w tzw. pancerną płytę anody oraz zawierają tzw. zewnętrzny rekombinator gazów i zewnętrzny system mieszania elektrolitu.

W instalacjach fotowoltaicznych i wiatrowych ze względu na ich nieregularne działanie (brak cykliczności) zwykle stosuje się akumulatory nowszej generacji litowo-jonowe, żelowe i AGM (ang. Absorbent Glass Mat). W akumulatorach żelowych elektrolit o strukturze krzemionki jest w postaci żelu. Akumulatory te charakteryzują się wysoką sprawnością ładowania. Mają także niewielkie wymagania co do ich wentylacji (chłodzenia). Nie występuje w nich zjawisko rozwarstwiania elektrolitu (które może pojawiać się w tradycyjnych akumulatorach kwasowo-ołowiowych, jeżeli proces ładowania zachodzi powoli). Akumulatory te wykazują się zdolnością powrotu ze stanu głębokiego rozładowania do cyklu pełnego ładowania; liczba takich cykli pracy, nawet przy ich dużej nieregularności, może powtarzać się wielokrotnie, co odpowiada charakterowi pracy systemów fotowoltaicznych i wiatrowych.

W akumulatorach typu AGM elektrolit jest umieszczony w separatorach w postaci mat z włókna szklanego. Z kolei maty te znajdują się między ołowiowymi płytami akumulatora. W akumulatorach tego typu jest stosowany jednokierunkowy zawór ciśnieniowy, który otwiera się, gdy następuje zbyt duży wzrost ciśnienia gazów w akumulatorze, co może mieć miejsce, gdy akumulator jest nadmiernie ładowany. Pewną wadą w stosunku do akumulatorów żelowych jest mniejsza możliwa liczba cykli pracy, zwłaszcza tych nieregularnych, czyli krótsza żywotność.

Należy podkreślić, że niezależnie od typu akumulatora każdy z nich musi być wyposażony w odpowiedni regulatora ładowania.

W tradycyjnej elektroenergetyce dużej skali stosowane stosuje się też inne nowe technologie magazynowania, do których należą magazyny sprężonego powietrza CAES (ang. Compressed Air Energy Storage), superkondensatory (kondensatory elektrolityczne wykorzystujące zjawisko magazynowania energii w polu elektrycznym) oraz nadprzewodnikowe zasobniki energii SMES (ang. Superconducting Magnetic Energy Storage). W przypadku energetyki odnawialnej te rozwiązania mogłyby być stosowane w elektrowniach dużych mocy zasilanych biogazem i biomasą. Obecnie takie magazyny nie są stosowane w budownictwie.

Z kolei w przypadku energetyki wodnej można stosować magazynowanie energii w elektrowniach szczytowo-pompowych. Te rozwiązania także dotyczą raczej dużej energetyki i nie odnoszą się w sposób bezpośredni do budownictwa.

Kolejnym nowym sposobem magazynowania energii elektrycznej jest jej akumulacja przy wykorzystaniu wodoru jako ośrodka magazynującego. Zmagazynowany wodór w celu pozyskania energii elektrycznej jest wykorzystywany jako paliwo w ogniwach paliwowych. Energetyka wodorowa może dotyczyć klasycznej energetyki konwencjonalnej dużych mocy, ale także energetyki mikro- i małej skali. W przypadku energetyki odnawialnej stosuje się instalacje fotowoltaiczne, które poza bezpośrednim zużyciem pozyskanej energii elektrycznej mogą tę energię wykorzystywać do procesów elektrolizy wody, a powstały wodór i tlen magazynować. Podobnie jak w makroskali, tak i w tym przypadku w razie potrzeby wodór jest wykorzystywany w ogniwach paliwowych (niskotemperaturowych) do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwsza na świecie instalacja tego typu z bezpośrednim umieszczeniem magazynu wodoru przy budynku powstała w 1991 roku we Freiburgu (Niemcy) w tzw. domu stuprocentowo słonecznym. Jednakże od tej pory, głównie z powodu uregulowań prawnych dotyczących bezpieczeństwa w Europie, nie budowano więcej takich magazynów wodoru bezpośrednio umieszczonych przy lub w budynkach (w Japonii w osiedlach domków jednorodzinnych działają instalacje tego typu). Być może wodór będzie zarówno paliwem przyszłości, jak i medium magazynującym, co pozwoli rozwiązać problemy energetyki odnawialnej w małej i dużej skali.

Literatura

1. Alva G., Lin Y., Fang G., An overview of thermal energy storage systems, „Energy” 2018, t. 144, s. 341–378.

2. Domański R., Magazynowanie energii cieplnej, PWN, Warszawa 1990.

3. Chmielniak T., Technologie energetyczne, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008.

4. Braun J.E., Klein S.A., Mitchell J.W., Seasonal Storage of Energy in Solar Heating, „Solar Energy” 1981, t. 26, nr 5, s. 403–411.

5. Chwieduk D., Chwieduk M., Idea wykorzystania gruntu jako źródła ciepła i sezonowego magazynu, „Instal” 2016, t. 12 (379), s. 17–22.

6. Cieśliński J., Mikielewicz J., Niekonwencjonalne źródła energii, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1996.

7. Chwieduk D., Budownictwo niskoenergetyczne. Energie odnawialne, [w:] Budownictwo ogólne, t. 2, Fizyka budowli, red. P. Klemm, Arkady, Warszawa 2005, s. 1065–1151.

8. Jastrzębska G., Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.

9. Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.

10. Twidell J., Weir T., Renewable Energy Resources, E & FN Spon, University Press Cambridge, London 1996.

11. Quaschning V., Understanding renewable energy systems, Earthscan, London 2006.

12. Pluta Z., Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.

13. Chwieduk D., Energetyka słoneczna budynku, Arkady, Warszawa 2011.

14. Budzyński W., Bielski S., Surowce energetyczne pochodzenia rolniczego, cz. 2, Biomasa jako paliwo stałe, Acta Scientiarum Polonorum, Agricultura 2004, nr 3(2), s. 15–26.

15. Kotowicz J., Bartela Ł., Energetyczne wykorzystanie biomasy drzewnej – przegląd technologii, „Rynek Energii” 2007, nr 6, s. 22–28.

16. Kępińska B., Wykorzystanie wód i energii geotermalnej na świecie i w Europie, „Polska Energetyka Słoneczna” 2011, t. 2–4, s. 55–58.

17. Nowak W., Stachel A.A., Borsukiewicz-Gozdur A., Zastosowania odnawialnych źródeł energii, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2008.

18. Chwieduk D., Analysis of utilisation of renewable energies as heat sources for heat pumps in building sector, „Renewable Energy, An International Journal” 1996, nr 1–4.

19. Chwieduk D., Solar Assisted Heat Pumps, [w:] Comprehensive Renewable Energy, t. 3, Solar Thermal Systems: Components and Application, Elsevier, Amsterdam 2012, s. 495–528.

20. Duffie J.A., Beckman W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons Inc., New York 1991.

21. Chwieduk D., Bigorajski J., Chwieduk M., Porównanie modeli stratyfikacji ciepła w zasobnikach ciepła słonecznych instalacji grzewczych, „Instal” 2016, t. 371, nr 3, s. 31–35.

22. Baetens R., Jelle B.P., Gustavsen A., Phase change materials for building applications: a state-of-the-art review, „Energy and Buildings” 2012, t. 42, nr 9, s. 1361–1368.

23. Chwieduk D., Dynamics of external wall structures with a PCM (phase change materials) in high latitude countries, „Energy 59” 2013, s. 301–313.

24. Jaworski M., Materiały zmiennofazowe (PCM) do zastosowań w budownictwie, „Polska Energetyka Słoneczna” 2008, t. 1–4, s. 57–60.

25. Zhou D., Tian Y., Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications, „Applied Energy” 2012, nr 92, s. 593–605.

26. Cabeza L.F., Thermal Energy Storage, [w:] Comprehensive Renewable Energy, t. 3, Solar Thermal Systems: Components and Application, Elsevier, Amsterdam 2012, s. 211–254.

27. Jastrzębska G., Ogniwa fotowoltaiczne. Budowa, technologia i zastosowanie, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2013.

28. Ftenakis V.M., Nikolakakis T., Storage Options for Photovoltaics, [w:] Comprehensive Renewable Energy, t. 3, Solar Thermal Systems: Components and Application, Elsevier, Amsterdam 2012, s. 199–212.

29. Milborrow D., Wind Energy Development, „Polska Energetyka Słoneczna” 2014, t. 1–4, s. 69–72.

2. Podstawowe metody magazynowania ciepła

Maciej Jaworski

2.1. Wprowadzenie

Magazynowanie energii jest jednym z elementów systemów konwersji energii od formy, w jakiej jest pozyskiwana w źródle, do formy oczekiwanej przez użytkownika [1], [2]. Różnorodność technologii magazynowania energii wynika z faktu, że są one pewną kompilacją procesów konwersji energii w procesach ładowania i rozładowania akumulatorów oraz formy energii, w jakiej jest ona „przechowywana” w magazynie. Obecnie nie ma powszechnie uznawanej klasyfikacji technik magazynowania energii, głównie ze względu na problem z jednoznacznym zdefiniowaniem kryterium podziału. Gdyby przyjąć, że takim kryterium jest forma energii po stronie odbiorcy, to techniki te można by podzielić na dwie zasadnicze grupy:

- magazynowanie ciepła,

- magazynowanie energii elektrycznej.

W literaturze przedmiotu często można znaleźć klasyfikację opartą na dominujących procesach konwersji przy ładowaniu i rozładowaniu oraz formach energii w magazynie. W tym przypadku wyróżnia się trzy zasadnicze grupy:

- magazynowanie ciepła,

- magazynowanie energii mechanicznej,

- magazynowanie energii w procesach elektrochemicznych.

Grupa „mechaniczna” obejmuje magazynowanie energii w elektrowniach szczytowo-pompowych (energia potencjalna wody), sprężonym powietrzu (energia mechaniczna występuje na etapie ładowania i rozładowania, natomiast przechowywanie jest w postaci energii wewnętrznej) oraz kołach zamachowych (energia kinetyczna). Pomijając zastosowania kół zamachowych w układach napędowych (odzysk części energii kinetycznej w czasie hamowania i jej wykorzystanie do napędu), układy mechaniczne magazynowania energii są w rzeczywistości akumulatorami energii elektrycznej, ponieważ w tej formie energia jest zużywana do ładowania magazynów i w takiej formie jest ona z nich odbierana.

Grupa „elektrochemiczna” obejmuje akumulację w polu elektrycznym (superkondensatory) i elektromagnetycznym (obwody nadprzewodzące), poprzez procesy elektrochemiczne zachodzące w bateriach i akumulatorach, aż do procesów występujących w złożonych cyklach: produkcja paliw (np. wodoru w procesie elektrolizy) – magazynowanie paliw – wykorzystanie paliw do wytwarzania energii (np. w ogniwach paliwowych) [3].

Niezależnie od sposobu, w jaki próbuje się uporządkować technologie akumulacji energii, magazynowanie ciepła należy do jednej z ważniejszych kategorii. Wynika to szerokiej gamy szczegółowych technik akumulacji, jak i z bardzo rozległego spektrum ich zastosowań [4]–[7]. Łączy je schemat konwersji energii oraz jej dominująca forma na wszystkich etapach – energia jest przechowywana w postaci energii wewnętrznej, odbiór z magazynu następuje na sposób ciepła, magazyn jest ładowany, z nielicznymi wyjątkami, także z wykorzystaniem energii cieplnej (na sposób ciepła) – pokazano to schematycznie na rysunku 2.1.

Rys. 2.1. Schemat konwersji energii w procesach akumulacji ciepła

2.2. Klasyfikacja technologii magazynowania ciepła

W przypadku magazynowania ciepła kluczowe znaczenia ma czynnik roboczy, który przejmuje (a następnie oddaje) energię dostarczaną do układu na sposób ciepła. Kryterium podziału technologii magazynowania ciepła są procesy, które zachodzą w substancjach akumulujących ciepło. Najprostszym przypadkiem jest wykorzystanie do akumulacji ciepła substancji jednofazowych. W czasie doprowadzania ciepła temperatura takich substancji rośnie (lub maleje – w przypadku akumulacji chłodu), a ilość zmagazynowanej energii jest proporcjonalna do ilości materiału, jego ciepła właściwego oraz całkowitej zmiany temperatury. W literaturze technologie takie określa się jako magazynowanie ciepła z wykorzystaniem ciepła właściwego (ang. Sensible Heat Thermal Energy Storage) [5].

Kolejną grupą są techniki magazynowania oparte na wykorzystaniu materiałów zmiennofazowych, tzn. takich, które w trakcie ładowania/rozładowania zmieniają fazę. Najczęściej taką przemianą fazową jest zmiana stanu skupienia (ciało stałe–ciecz), ale brane są pod uwagę również przemiany fazowe zachodzące w fazie stałej (związane ze zmianą struktury materiału). Istotny jest efekt cieplny (entalpia) przemiany fazowej, który decyduje o pojemności cieplnej materiału i ilości ciepła możliwej do zmagazynowania. W porównaniu do pierwszej grupy magazynowanie ciepła z wykorzystaniem przemian fazowych charakteryzuje się niewielkimi zmianami temperatury czynnika roboczego przy większych ilościach magazynowanego ciepła. Ponieważ rozważane przemiany fazowe są teoretycznie izotermiczne i dostarczanie/uwalnianie ciepła nie uwidacznia się w zmianach temperatury czynnika, w literaturze angielskiej ten rodzaj akumulacji ciepła jest określany jako latent heat thermal energy storage, LHTES (akumulacja z wykorzystaniem ciepła utajonego) [4]–[6].

Trzecia kategoria technik magazynowania ciepła obejmuje układy, w których wykorzystuje się efekty cieplne procesów sorpcyjnych i odwracalnych reakcji chemicznych. W tym przypadku nie można wskazać jednego czynnika roboczego gromadzącego i uwalniającego ciepło. W procesach sorpcyjnych są to sorbent i sorbat (dwie substancje), w reakcjach chemicznych substraty i produkty (przynajmniej trzy związki). Techniki te są znacznie bardziej wymagające w stosunku do poprzednich z punktu widzenia realizacji procesów, ale charakteryzują się znacznie większą (nawet o rząd wielkości) gęstością magazynowanego ciepła, co wynika z dużych entalpii reakcji chemicznych w porównania do entalpii przemian fazowych [8]–[10].

Na niższym poziomie klasyfikacji technik magazynowania ciepła bierze się pod uwagę czas przechowywania ciepła. Szczególnie w odniesieniu do technik wykorzystujących ciepło właściwe substancji istnieje wyraźny podział na te, które charakteryzują się długimi okresami ładowania, rozładowania i przechowywania (magazynowanie długoterminowe/sezonowe), oraz takie, w których te fazy są znacznie krótsze – rzędu godzin lub w cyklu dobowym. Magazynowanie ciepła w przemianach fazowych jest w zasadzie krótkoterminowe, natomiast w przypadku układów sorpcyjnych i z reakcjami chemicznymi możliwe jest magazynowanie także długoterminowe, ale trudno wprowadzić jednoznaczny podział, tak jak w przypadku pierwszej grupy.

Technologie akumulacji ciepła można także dzielić w zależności od zakresu temperatury czynnika roboczego. Wyróżnia się układy niskotemperaturowe – do 120°C, średniotemperaturowe – od 120 do 500°C, oraz wysokotemperaturowe – powyżej 500°C. Przy czym graniczne wartości temperatury są umowne, nie wynikają one z właściwości czynników roboczych.

2.3. Akumulacja ciepła z wykorzystaniem ciepła właściwego czynników roboczych

Długoterminowa akumulacja ciepła z wykorzystaniem ciepła właściwego jest realizowana w układach wielkoskalowych i wykorzystuje się w tym celu różne formacje geologiczne. W literaturze angielskiej magazynowanie tego typu jest określane jako Underground Thermal Energy Storage, UTES. Magazynowanie krótkoterminowe jest bardziej zróżnicowane z punktu widzenia wielkości układów, jak też konkretnych rozwiązań technologicznych [5], [11].

2.3.1. Krótkoterminowa akumulacja ciepła z wykorzystaniem ciepła właściwego

W układach krótkoterminowych, bazujących na ciepłe właściwym substancji, najczęściej wykorzystywanym czynnikiem akumulacyjnym jest woda, która charakteryzuje się wyjątkowo dużą – w porównaniu do innych substancji stałych i ciekłych – pojemnością cieplną (ciepłem właściwym) odniesioną do masy. Istotne znaczenie ma też cena oraz fakt, że do akumulacji ciepła można wykorzystywać także wodę bezpośrednio używaną do celów bytowych, np. tzw. ciepłą wodę użytkową (c.w.u.). Przykładem zasobników ciepła w małej skali są właśnie zasobniki ciepłej wody użytkowej, które mogą być zasilane z różnych źródeł, takich jak kolektory słoneczne, energia elektryczna, kotły gazowe/olejowe. Najprostszym zasobnikiem ciepła tego typu jest pojemnościowy podgrzewacz elektryczny, czyli zbiornik ciepłej wody użytkowej z grzałką elektryczną jako źródłem ciepła – w optymalnych warunkach użytkowania taki zasobnik ciepła powinien być „ładowany” tanią energią elektryczną w okresie minimalnego na nią zapotrzebowania (nocą). Współcześnie oferowane zasobniki ciepłej wody mają bardziej złożone konstrukcje ze względu na możliwość współpracy z różnymi źródłami ciepła – są wyposażone w jedną lub dwie wężownice zasilane np. z kolektorów słonecznych oraz z kotłów na paliwa konwencjonalne, a także w grzałki elektryczne jako dodatkowe źródło ciepła [12], [13].

Zbiorniki z wodą jako czynnikiem akumulującym ciepło wykorzystywane są także w dużych miejskich systemach ciepłowniczych opartych na kogeneracyjnym wytwarzaniu energii. W elektrociepłowni produkcja ciepła jest proporcjonalna do produkcji energii elektrycznej. Jednakże charakterystyki zapotrzebowania (po stronie odbiorcy) na energię elektryczną i ciepło nie pokrywają się, tzn. przy maksymalnym zapotrzebowaniu na energię elektryczną w elektrociepłowni powstają duże nadwyżki wytwarzanego ciepła. Aby elektrociepłownia mogła efektywnie wykorzystywać potencjał do wytwarzania obu form energii, nadwyżki ciepła powstające w godzinach szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną są akumulowane w postaci gorącej wody przechowywanej w dużych zbiornikach. W okresie zmniejszonego zapotrzebowania na energię elektryczną, kiedy EC pracuje przy odpowiednio zmniejszonym obciążeniu i produkcja ciepła jest proporcjonalnie mniejsza, wykorzystuje się zmagazynowane ciepło, wprowadzając dodatkowo do sieci ciepłowniczej gorącą wodę ze zbiornika. Przykładem takiego magazynu ciepła jest zbiornik przy EC Siekierki w Warszawie, o pojemności 30 400 m^3 (średnica × wysokość: 30 × 47 m), pojemności cieplnej 5760 GJ oraz mocy cieplnej 300 MW.

Cechą charakterystyczną zasobników ciepła z wodą jako czynnikiem roboczym (dotyczy to także innych cieczy) jest występowanie stratyfikacji termicznej, przejawiającej się istnieniem wyraźnej granicy między obszarami cieczy o wysokiej i niskiej temperaturze, utrzymującej się także w trakcie ładowania i rozładowania zasobnika. Dzięki temu jakość odbieranego ciepła, czyli temperatura nośnika odbieranego z zasobnika, jest stała w czasie całego cyklu rozładowania. W niektórych typach zasobników (np. w instalacjach słonecznych) stratyfikacja termiczna jest związana z występowaniem w zbiorniku w przybliżeniu stałego gradientu temperatury w kierunku pionowym, co pozwala na kontrolę temperatury wody pobieranej ze zbiornika. Efekt stratyfikacji termicznej nie występuje w zasobnikach ciepła w postaci złoża materiałów stałych, w takich układach w trakcie odbioru ciepła temperatura nośnika obniża się, ponieważ zmniejsza się średnia temperatura złoża.

Akumulatory ciepła z substancjami ciekłymi są ważnym elementem siłowni słonecznych (ang. Concentrated Solar Power, CSP) [14]. Energia elektryczna generowana jest w konwencjonalnym module siłowni parowej (działającym wg obiegu Rankine’a), którego wytwornica pary jest zasilana czynnikiem roboczym ogrzewanym przez promieniowanie słoneczne. Aby siłownia mogła pracować także poza okresem dostępności promieniowania słonecznego, a więc wtedy, kiedy energia elektryczna jest najbardziej potrzebna, część ciepła pozyskiwanego z promieniowania słonecznego gromadzi się w postaci gorących cieczy przechowywanych w dużych zbiornikach. W istniejących siłowniach słonecznych najczęściej jako czynnik akumulujący używa się mieszaniny azotanu sodu i azotanu potasu (60% NaNO_3/40% KNO_3, udziały masowe), która nazywana jest solar salt. Temperatura topnienia tej mieszanny soli wynosi ok. 220°C, a zakres temperatury pracy od ok. 290°C do nawet 565°C (różne zakresy w różnych instalacjach). Układ akumulacji ciepła składa się zazwyczaj z dwóch zbiorników – w jednym jest przechowywany czynnik o niskiej temperaturze, a w drugim o temperaturze wysokiej. W trakcie ładowania magazynu czynnik chłodny jest przepompowywany do drugiego zbiornika przez wymiennik ciepła zasilany z modułu słonecznego, gdzie jest podgrzewany do wysokiej temperatury. W trakcie rozładowania czynnik gorący zasila wymiennik ciepła, gdzie oddaje ciepło do nośnika (oleje lub stopione sole) przepływającego przez wytwornicę pary. Rozważane są także układy jednozbiornikowe, w których rozdzielenie między obszarem gorącym i chłodnym występuje dzięki zjawisku stratyfikacji termicznej.

W CSP do akumulacji ciepła używane są także inne czynniki, takie jak Hitec (40% NaNO_2, 7% NaNO_3, 53% KNO_3) oraz HitecXL (48% Ca(NO_3)2, 7% NaNO_3, 45% KNO_3). Substancje te mają niższe temperatury topnienia, co zmniejsza ryzyko zestalenia w instalacji, ale jednocześnie także niższą dopuszczalną maksymalną temperaturę pracy – poniżej 500°C. W kilku siłowniach słonecznych ciepło jest akumulowane przez gromadzenie i przechowywanie pary wodnej pod ciśnieniem, tej, która jest czynnikiem roboczym w turbinie parowej. W porównaniu do wcześniej opisanych taki układ jest prostszy, ponieważ nie są wymagane czynnik pośredni (stopione sole), zbiorniki do jego przechowywania oraz wymienniki ciepła.

Rys. 2.2. Schemat akumulacji ciepła w stopionych solach w siłowni słonecznej (ang. Concentrated Solar Power)

Akumulację ciepła z wykorzystaniem stopionych soli lub olejów (układy wysokotemperaturowe) rozważa się także w układach akumulacji energii w sprężonym powietrzu, tzw. Adiabatic Compressed Air Energy Storage, ACAES [1], [2]. Technologia ta wymaga odbioru ciepła od sprężanego powietrza (temperatura powietrza za sprężarką może osiągnąć 600°C), zanim zostanie ono wtłoczone do kawerny (podziemnego zbiornika), przechowania tego ciepła, a następnie oddania do powietrza pobieranego ze złoża, zanim zostanie ono wprowadzone do turbiny. Unika się w ten sposób strat ciepła (energii) w wyniku wychładzania powietrza w kawernie. Uzyskanie dużej mocy w turbinie wymaga podgrzania powietrza – można to zrealizować, używając paliw konwencjonalnych (gazu, oleju opałowego) lub też ciepła odebranego od powietrza na etapie sprężania i przechowanego w odpowiednich magazynach. Układy akumulacji ciepła w projektowanych ACAES są zbliżone do tych, które funkcjonują w CSP – bazują na dwóch zbiornikach, gorącego i chłodnego czynnika roboczego/akumulującego oraz wymiennikach ciepła powietrze–czynnik roboczy. W zawieszonym, ze względów ekonomicznych, projekcie ADELE (ang. Advanced Adiabatic CAES) przewidywano akumulację ciepła z chłodzenia sprężanego powietrza w zbiorniku ciśnieniowym wypełnionym elementami ceramicznymi.

Akumulacja ciepła w złożach materiałów stałych należy do najprostszych, również najtańszych technik. Złoża usypane z polnych kamieni w komorach znajdujących się nad paleniskami były używane do gromadzenia ciepła, wykorzystywanego do ogrzewania średniowiecznych zamków – przykład takiego rozwiązania można obejrzeć m.in. w zamku w Malborku. Współczesnym, choć coraz rzadziej spotykanym, przykładem akumulacji ciepła w materiałach stałych są elektryczne piece akumulacyjne ze stosem wykonanym z cegieł szamotowych jako magazynem ciepła. Tego typu akumulatory były nagrzewane w porze nocnej, gdy energia elektryczna jest tańsza, a oddawały ciepło w ciągu dnia. Duża pojemność cieplna tych akumulatorów nie wynikała z dużej pojemności cieplnej cegły, lecz z możliwości jej wygrzewania do bardzo wysokich temperatur – jest to charakterystyczne dla zasobników ciepła w materiałach stałych. W innych rozwiązaniach tego typu rozważa się wykorzystanie dużych bloków betonowych z zatopionymi wężownicami do transportu ciepła.

2.3.2. Długoterminowa sezonowa akumulacja ciepła z wykorzystaniem ciepła właściwego

Akumulacja ciepła w długim okresie, w cyklu sezonowym (rocznym), jest realizowana najczęściej z wykorzystaniem pojemności cieplnej różnych struktur podziemnych. W języku angielskim tego typu technologie akumulacji ciepła są określane jako Underground Thermal Energy Storage, UTES. Wyróżnia się trzy techniki różniące się sposobem realizacji, nośnikami ciepła, a także substancjami akumulującymi ciepło:

- akumulacja w warstwach wodonośnych, ang. Aquifer Thermal Energy Storage, ATES,

- akumulacja ciepła w gruntach, ang. Borehole Thermal Energy Storage, BTES,

- w naturalnych (ale też sztucznych) podziemnych zbiornikach (wyrobiska kopalniane, jaskinie), które służą jako zbiorniki ciepłej wody, ang. Cavern Thermal Energy Storage, CTES.

Przy akumulacji ciepła w warstwach wodonośnych wykorzystuje się wodę z tych warstw jako zarówno nośnik ciepła, jak i czynnik akumulujący. Substancją akumulującą ciepło są także przepuszczalne struktury podziemne obejmujące ciek wodny. Akumulator ciepła ATES wymaga wykonania dwóch (lub większej liczby par) studni – jedną z nich pobiera się wodę z warstwy, a drugą tę samą wodę (po schłodzeniu lub ogrzaniu) zatłacza do warstwy wodonośnej. Odległość między studniami wynika z charakterystyki warstwy wodonośnej, tzn. naturalnego przepływu wody w warstwie lub intensywności przepływu w wyniku wymuszenia pompowaniem wody w trakcie eksploatacji. W czasie cyklu ładowania złoża w przypadku ogrzewania w sezonie letnim ciepła woda powinna wypełnić całą przestrzeń między studniami, ogrzewając także warstwy gruntu.

Rys. 2.3. Schemat akumulacji ciepła w warstwach wodonośnych

W zależności od charakterystyki cieku wodnego rozważa się dwa reżimy pracy magazynu ATES. W pierwszym przepływ wody w złożu, także w studniach, jest przeciwny w cyklu ładowania (latem) i w cyklu rozładowania (zimą). Studnie ze względu na temperaturę czynnika pełnią te same funkcje – jedna jest „gorąca”, a druga „zimna”, niezależnie od pory roku. Ten reżim w języku angielskim jest określany jako cyclic ATES. W drugim reżimie kierunek przepływu czynnika się nie zmienia. Odległość między studniami trzeba jednak dobrać tak, aby „gorąca” woda wtłaczana do złoża w sezonie letnim dotarła do drugiej studni (która w tej fazie cyklu pełniła funkcję „zimnej”) pod koniec tego sezonu. W tym momencie rozpoczyna się druga faza cyklu, kiedy ze złoża pobiera się „gorącą” wodę – jest ona pobieraną tą drugą studnią, która teraz staje się „gorąca”. Ten reżim pracy określany jest jako continuous ATES.

Często przywoływanym przykładem akumulacji ciepła w warstwach wodonośnych są magazyny ciepła/chłodu wykorzystywane w układzie ogrzewania/klimatyzacji budynku parlamentu w Berlinie (Bundestagu). W systemie eksploatowane są dwie warstwy wodonośne. Pierwsza, na głębokości ok. 60 m, jest traktowana jako magazyn chłodu, druga, na głębokości ok. 320 m, jest magazynem ciepła. Każdy z tych układów tworzą dwie studnie odległe od siebie o ok. 300 m; w trakcie eksploatacji przepływy wody osiągają wydatek rzędu 100 m^3/h. Parametry techniczne eksploatacji płytkiej warstwy wodonośnej są następujące. W sezonie letnim z warstwy pobierana jest woda o temperaturze zmieniającej się z upływem czasu w zakresie od 6°C do 10°C. Woda ta jest górnym źródłem ciepła agregatów chłodniczych działających w układzie klimatyzacji budynku – jest ona w nich podgrzewana do temperatury 15–28°C (rosnącej analogicznie jak temperatura ze złoża) i zatłaczana do warstwy wodonośnej. W sezonie zimowym woda pobierana z warstwy wodonośnej ma średnią temperaturę 22°C (w wyniku jej podgrzania w lecie) – tym razem jest ona dolnym źródłem ciepła dla pomp ciepła ogrzewających budynek. W pompach ciepła woda jest chłodzona do temperatury średnio 5°C i zatłaczana do złoża. W ten sposób ciek wodny jest wychładzany i może być wykorzystywany jako źródło chłodu w kolejnym sezonie letnim. Analogicznie, ale głównie jako źródło ciepła, funkcjonuje głęboki ciek wodny. W lecie ze złoża pobierana jest woda o temperaturze średnio 20°C. W agregatach chłodniczych jest ona podgrzewana do ok. 70°C i zatłaczana do złoża. Wygrzany ciek wodny w zimie jest źródłem ciepła – pobierana z niego woda ma temperaturę początkowo 65°C, pod koniec zimy spada do 30°C.

Sprawność akumulacji ciepła/chłodu w układach ATES zależy od poziomu temperatury wody zatłaczanej/pobieranej z cieków. Dla instalacji w budynku Bundestagu sprawność akumulacji ciepła w płytkiej warstwie wodonośnej jest oceniania na 93% (zakres temperatury wody jest zbliżony do temperatury otoczenia), natomiast dla warstwy głębokiej na 77% – temperatura zatłaczanej wody jest względnie wysoka, co zwiększa straty ciepła.

Cechą charakterystyczną magazynów ciepła w warstwach wodonośnych jest długi, trwający kilka lat czas formowania się złoża-zasobnika ciepła, dochodzenia do maksymalnej efektywności procesu magazynowania ciepła. W magazynie ATES Rostock-Brinckmanshöhe w pierwszym roku eksploatacji do złoża wprowadzono 214 MWh ciepła, natomiast odebrano tylko 78 MWh. W drugim roku relacje te były już znacznie lepsze: wprowadzono 245 MWh, a odebrano 158 MWh [8].

Akumulacja ciepła w gruncie – technika BTES – jest analogiczna do układów ogrzewania bazujących na energii geotermalnej z pionowymi wymiennikami gruntowymi, z dwiema zasadniczymi różnicami. W przypadku prostych układów ogrzewania w sezonie zimowym ciepło jest pobierane z gruntu, który w sezonie letnim podlega naturalnej regeneracji. W akumulatorach w sezonie letnim grunt jest sztucznie ogrzewany, najczęściej ciepłem z kolektorów słonecznych lub ciepłem odpadowym z procesów technologicznych. Druga różnica jest związana z wielkością złoża. Systemy akumulacyjne są tworzone przez dziesiątki lub nawet setki względnie gęsto rozłożonych odwiertów z wymiennikami ciepła – wyznaczają one obszar gruntu (skał), który stanowi medium magazynujące ciepło. Im większa objętość złoża (mniejszy stosunek powierzchni zewnętrznej do objętości), tym mniejsze straty ciepła do niego dostarczanego, a tym samym większa sprawność akumulacji.

Rys. 2.4. Schemat akumulacji ciepła w gruncie

Przykładem magazynu BTES jest instalacja w Anneberg Solar Heating Plant w Szwecji, która jest częścią systemu ogrzewania osiedla 50 budynków. Podstawowym źródłem energii w osiedlu są kolektory słoneczne na dachach budynków o łącznej powierzchni 2400 m^2. Część ciepła pozyskiwanego latem w kolektorach słonecznych jest gromadzona w złożu BTES, utworzonym przez 100 gruntowych wymienników ciepła o głębokości 65 m. Każdy z wymienników to podwójna U-rurka (o średnicy 32 mm) umieszczona w odwiercie o średnicy 115 mm. Objętość magazynu ciepła (gruntu objętego odwiertami) wynosi 60 tys. m^3. Temperatura złoża w czasie jego eksploatacji zmienia się w zakresie 30–45°C [9].

Innym ciekawym przykładem wykorzystania tej techniki akumulacji ciepła jest instalacja w fabryce pomp Itt Flygt w Emmaboda w Szwecji. Zbudowano tam dwa magazyny gruntowe, z których jeden jest magazynem niskotemperaturowym (magazyn chłodu) wykorzystywanym do klimatyzacji, częściowo zasilanym w chłód z wody z rzeki. Temperatura gruntu w tym zasobniku zmienia się w zakresie 0–20°C; do utrzymania temperatury w tym zakresie częściowo jest używana woda z przepływającej obok rzeki. Drugi magazyn jest magazynem ciepła zasilanym ciepłem odpadowym z odlewni. Nietypowy jest bardzo wysoki zakres temperatury w tym złożu – od 50 do 90°C. Podwyższenie temperatury złoża, mimo niższej sprawności akumulacji ciepła, pozwoliło na efektywne wykorzystanie ciepła odpadowego. Po zbudowaniu tego magazynu fabryka stała się dodatkowym źródłem dla miejskiego systemu ciepłowniczego [9].

Istnieje wiele instalacji akumulacji ciepła w gruncie sprzężonych z układami przeciwdziałającymi obladzaniu powierzchni mostów, wiaduktów, parkingów itp. Magazyny te są zasilane ciepłem pozyskiwanym w porze letniej za pośrednictwem wymienników ciepła (wężownic) zainstalowanych pod powierzchnią ww. obiektów drogowych; jest to ciepło pochodzące od promieniowania słonecznego. W porze zimowej jest ono wykorzystywane, za pośrednictwem tych samych wymienników ciepła, do podgrzewania powierzchni, aby nie doprowadzić do ich przemarzania.

Jako magazyn ciepła wykorzystuje się także fundamenty budynków, szczególnie wtedy, kiedy są one bardzo głębokie – technologia ta jest rozwijana w Japonii, gdzie ze względu na warunki sejsmiczne wymagane jest głębokie palowanie. Wymienniki ciepła są montowane do zbrojenia fundamentów przed wylaniem betonu. W ten sposób powstaje magazyn ciepła, w którym medium akumulującym jest zarówno beton fundamentów, jak i grunt w ich sąsiedztwie.

2.4. Akumulacja ciepła z wykorzystaniem ciepła przemian fazowych

Ilość ciepła akumulowanego w magazynie opartym na ciepłe właściwym substancji roboczej można wyrazić zależnością

(2.1)

gdzie:

Q  – ilość ciepła akumulowanego [J],

m – masa substancji akumulującej [kg],

cp – ciepło właściwe substancji [J/(kg · K)],

∆T – zmiana temperatury substancji od temperatury początkowej T_1 do temperatury końcowej T_2 [K].

Ilość ciepła Q zależy od wielkości akumulatora (masy substancji akumulującej, m) oraz od zakresu zmian temperatury tej substancji w trakcie eksploatacji. Zmiany temperatury czynnika roboczego w szerokim zakresie powodują, że temperatura nośnika ciepła w trakcie rozładowania magazynu także zmienia się znacząco – do odbiorcy w miarę upływu czasu dociera strumień ciepła o coraz gorszych parametrach (coraz niższej temperaturze). Dotyczy to w szczególności akumulatorów ze złożem materiałów stałych. Pogarszanie się „jakości” ciepła odbieranego z magazynu w znacznie mniejszym stopniu występuje w przypadku, kiedy substancje akumulujące podlegają izotermicznym przemianom fazowym w trakcie ładowania i rozładowania. Takie materiały nazywane są zmiennofazowymi (ang. Phase Change Materials, PCM). Dla magazynów z materiałami zmiennofazowymi ilość ciepła możliwego do zakumulowania wyznacza się ze wzoru:

(2.2)

gdzie:

cps i cpl – ciepła właściwe odpowiednio dla fazy stałej i ciekłej [J/(kg · K)],

Tm – temperatura przemiany fazowej (topnienia/zestalania) [K],

Cm – ciepło (entalpia) przemiany fazowej [J/kg],

T_1 i T_2 – temperatury wyznaczające zakres pracy magazynu ciepła [K].

W wyrażeniu 2.2 dominujący jest środkowy składnik. Z uwagi na przeciętne wartości ciepła topnienia dla materiałów zmiennofazowych jest ono równoważne zmianie entalpii czynnika jednofazowego (stałego lub ciekłego) przy zmianie temperatury rzędu 100 K; dla wody równoważnik ten wynosi ok. 80 K. Topnienie/zestalanie są przemianami teoretycznie izotermicznymi, w praktyce przebiegają w pewnym zakresie temperatury, jednak zmiany temperatury PCM w czasie przemiany fazowej są znacznie mniejsze niż zmiany temperatury substancji jednofazowych dające podobny efekt cieplny. Pojemność cieplna (jako stosunek ilości ciepła do zmiany temperatury substancji) materiałów zmiennofazowych może być nawet o rząd wielkości większa niż pojemność cieplna podobnych materiałów nieulegających przemianie fazowej. Ilustrują to charakterystyki zmian entalpii z temperaturą dla wybranego materiału PCM oraz dla wody i betonu pokazane na rysunku 2.5.

Materiały zmiennofazowe mogą być efektywnie wykorzystywane do gromadzenia, przechowywania i wykorzystania ciepła do ogrzewania pomieszczeń, przygotowania ciepłej wody użytkowej itp., tzn. w celach, które można określić jako energetyczne. Dzięki zdolności do gromadzenia (i uwalniania) dużych ilości ciepła przy niewielkich zmianach temperatury znalazły one zastosowanie także w układach, których zasadniczym celem jest stabilizacja temperatury w otoczeniu w warunkach występowania dużych źródeł ciepła lub dużych wahań strumieni ciepła. Przykładem takich zastosowań są zasobniki do transportu substancji medycznych (organy do przeszczepu, krew, lekarstwa), wewnątrz których temperatura jest utrzymywana na wymaganym poziomie nie tylko dzięki dobrej izolacji cieplnej,

Rys. 2.5. Zmiany entalpii wybranych materiałów w czasie ogrzewania

lecz także dzięki wkładkom zawierającym materiał PCM o odpowiednio dobranej temperaturze przemiany fazowej. W tej grupie mieszczą się także układy chłodzenia elementów i systemów elektronicznych (procesory, serwerownie itp.), a także moduły stabilizacji temperatury bloków akumulatorów w samochodach elektrycznych. Tkaniny impregnowane materiałami zmiennofazowymi, po raz pierwszy zastosowane w latach 60. XX w. w kombinezonach kosmonautów, obecnie są stosowane w kombinezonach dla osób pracujących w wysokich temperaturach (strażaków, hutników), w różnych akcesoriach używanych przez sportowców (strojach, butach, rękawicach, kaskach), materiałach pościelowych, tkaninach używanych do ochrony roślin, jak również w medycynie, np. w bandażach. Warstwa PCM na powierzchni lub między włóknami poprawia właściwości izolacyjne tkaniny. Tkaniny takie zaliczane są do grupy materiałów funkcjonalnych – ich podwyższone parametry uwidaczniają się tylko w pewnych warunkach, w tym przypadku pod wpływem dużych zmian strumieni ciepła.

Akumulacja ciepła w materiałach zmiennofazowych mieści się w kategorii magazynowania krótkoterminowego. Zasobniki ciepła z PCM są zazwyczaj układami małej skali – głównie ze względu na wysokie koszty materiałów zmiennofazowych. Wyjątkiem są akumulatory z wodą/lodem jako czynnikiem roboczym. Są to magazyny chłodu wykorzystujące ciepło zamarzania wody. Topniejący lód jest górnym źródłem ciepła dla agregatów chłodniczych, przejmując ciepło odprowadzane w skraplaczach. Ponieważ temperatura topniejącego lodu jest znacznie niższa od temperatury otoczenia i utrzymuje się na stałym poziomie w czasie całego procesu, parametry pracy urządzeń klimatyzacyjnych są znacznie lepsze – pracują w warunkach nominalnych przy maksymalnych współczynnikach wydajności chłodniczej COP. Tego typu instalacje, adresowane do dużych kompleksów budowlanych, mogą zawierać setki lub nawet tysiące ton wody. Innym wyjątkiem, także z wodą/lodem jako czynnikiem akumulującym, są sezonowe akumulatory chłodu wykorzystujące śnieg gromadzony zimą, którego entalpia topnienia jest wykorzystywana w układach klimatyzacji dużych obiektów w porze letniej. Przykładem takiej instalacji jest system klimatyzacji w szpitalu w Sundsvall w Szwecji. Wykorzystuje się w nim magazyn śniegu o pojemności ponad 40 tys. m^3 zgromadzonego w niecce o wymiarach 130 × 64 m (średnia gęstość śniegu 650 kg/m^3). Izolację stanowi warstwa zrębków drewna. W sezonie letnim woda z topniejącego śniegu o temperaturze ok. 2°C jest pobierana z dna niecki i po przefiltrowaniu zasila wymiennik ciepła, w którym odbiera ciepło od czynnika roboczego schładzającego skraplacze urządzeń klimatyzacyjnych. W wymienniku tym woda ze śniegu jest podgrzewana od 2 do ok. 10°C, natomiast czynnik roboczy z układu klimatyzacji jest schładzany od 12 do 7°C. Wydatek wody krążącej w układzie wynosi od 35 do 50 l/s, maksymalna moc wymienników ciepła wynosi dochodzi do 2000 kW [10].

Zasobniki ciepła z materiałami zmiennofazowymi należą do grupy regeneracyjnych wymienników ciepła. Projektując je, należy przede wszystkim zwracać uwagą na efektywność transportu ciepła do materiału zmiennofazowego w czasie ładowania i do nośnika ciepła w czasie rozładowania.

Materiały zmiennofazowe charakteryzują się niskimi wartościami przewodności cieplnej – w grupie materiałów organicznych jest ona rzędu 0,15–0,25 W/(m · K), a w grupie substancji nieorganicznych w zakresie 0,5–0,7 W/(m · K). Przepływ ciepła w objętości tych materiałów jest więc bardzo ograniczony. Ze względu na ewentualne duże straty egzergetyczne akumulacji ciepła (których miarą jest duża różnica między temperaturą nośnika ciepła w fazie ładowania magazynu a w fazie rozładowania – odbioru ciepła) nie powinno się zwiększać intensywności transportu ciepła przez zwiększenie gradientów temperatury (różnicy między temperaturą nośnika a temperaturą przemiany fazowej). Rozwiązania zapewniające dużą intensywność wymiany ciepła są uzależnione od wielkości zasobnika (ilości materiału PCM). Najprostszym sposobem zwiększenia tempa procesów ładowania/rozładowania magazynu jest dopasowanie wielkości elementarnych zasobników PCM (kule, walce, płaskie panele) do wymaganego czasu procesu. Nieco droższym rozwiązaniem jest stosowanie żeber na powierzchni zasobników po stronie PCM (jeżeli nośnikiem ciepła jest powietrze, to także po drugiej stronie) lub dodawanie do PCM wiórów metalowych zwiększających efektywną przewodność cieplną. W małych wymiennikach ciepła jako zasobniki materiału PCM stosuje się matryce wykonane z bardzo dobrze przewodzącego grafitu lub spienionego aluminium. Ten sposób jest jednak bardzo kosztowny i ma uzasadnienie tylko w szczególnych zastosowaniach, np. w układach chłodzenia procesorów.

Zmiany objętości w procesach topnienia/zestalania to kolejny czynnik, który istotnie wpływa na rozwiązania konstrukcyjne zasobników ciepła. Niektóre materiały, szczególnie organiczne, mogą w czasie topnienia zwiększyć objętość nawet o kilkanaście procent. Kształt i upakowanie elementarnych zasobników PCM lub całościowa geometria wymiennika powinny uwzględniać tak duże zmiany objętości. Wśród stosowanych rozwiązań można wyróżnić następujące sposoby kompensacji zmian objętości materiału PCM:

- stosowanie elementarnych zasobników (np. kulistych) o pofalowanych powierzchniach, dzięki czemu mogą one łatwo zmieniać objętość,

- umieszczanie wewnątrz zasobników – w materiale PCM – małych pojemniczków wypełnionych powietrzem, które są podatne na zmiany ciśnienia wywołane rozszerzalnością materiału,

- pozostawienie poduszki powietrznej w zasobniku z PCM,

- zastosowanie odwrotnej konfiguracji PCM–nośnik ciepła: materiał zmiennofazowy wypełnia zbiornik wymiennika, natomiast nośnik ciepła płynie wężownicą zanurzoną w materiale PCM; dodatkowo w zbiorniku musi być pozostawiona poduszka powietrzna; w czasie ładowania magazynu, topnienia materiału PCM, nośnik ciepła musi płynąć wężownicą od góry w dół, aby przemiana fazowa zaczęła się w górnej części zbiornika,

- w zasobnikach ciepła, w których powietrze jest nośnikiem ciepła (np. zasobniki w układach wentylacji budynków), PCM umieszcza się w płaskich elastycznych torebkach.

2.5. Akumulacja ciepła z wykorzystaniem reakcji chemicznych i procesów sorpcyjnych

Trzecią grupą procesów, których efekty cieplne są wykorzystywane w celu akumulacji ciepła, są odwracalne reakcje chemiczne oraz procesy sorpcyjne (w języku angielskim używane jest pojęcie Thermochemical Energy Storage, TCS [5], [18]). W porównaniu do pojemności cieplnej materiałów zmiennofazowych ciepło sorpcji jest kilkakrotnie większe, a ciepło reakcji chemicznych nawet o rząd wielkości. Jednakże eksploatacja magazynów chemicznych jest znacznie trudniejsza, wymaga specjalnych reaktorów, separacji produktów reakcji, jak również stosowania specjalnych technologii ich przechowywania, szczególnie jeżeli są one w stanie gazowym.

Zaletą akumulacji ciepła w reakcjach chemicznych i sorpcyjnych jest możliwość przechowywania produktów reakcji (które można traktować jako naładowany magazyn ciepła) w temperaturze otoczenia, co całkowicie eliminuje straty ciepła w fazie jego przechowywania, inaczej niż w dwóch pozostałych technikach magazynowania ciepła, gdzie substancja robocza po naładowaniu magazynu ma temperaturę często bardzo różniącą się od temperatury otoczenia i zasobnik wymaga dobrej izolacji cieplnej.

Przykłady reakcji chemicznych rozważanych w kontekście akumulacji ciepła

Hydratacja/dehydratacja wodorotlenku magnezu:

(2.3)

Dehydratacja przebiega w temperaturze ok. 350°C i prowadzi do powstania tlenku magnezu, który pozostaje w reaktorze, oraz pary wodnej, która jest usuwana z reaktora, skraplana i przechowywana w dodatkowym zbiorniku. Ciepło reakcji jest równe 1,4 MJ/kg. Reakcja dehydratacji odpowiada ładowaniu magazynu ciepła. Hydratacja, reakcja odwrotna, z punktu widzenia akumulacji ciepła jest procesem rozładowania magazynu. Reakcja ta wymaga odparowania wody znajdującej się w dodatkowym zbiorniku, do czego można wykorzystać ciepło niskotemperaturowe (poniżej 100°C). Parę wodną doprowadza się do reaktora z tlenkiem magnezu, gdzie dochodzi do tworzenia wodorotlenku magnezu; reakcja ta przebiega w temperaturze ok. 140°C i wiąże się z wydzielaniem ciepła. Z uwagi na samą reakcję hydratacji fakt, że do jej przeprowadzenia należy doprowadzić ciepło niskotemperaturowe (ciepło parowania wody), a uzyskuje się znacznie większy strumień ciepła wysokotemperaturowego, reaktor taki jest nazywany chemiczną pompą ciepła. Określenia tego używa się także w odniesieniu do innych reakcji chemicznych stanowiących podstawę akumulacji ciepła.

Podobną reakcją jest hydratacja/dehydratacja wodorotlenku wapnia Ca(OH)2. Proces dehydratacji przebiega także w wysokiej temperaturze, rzędu 400–600°C. Z tego względu magazyny ciepła oparte na tych reakcjach są rozważane jako elementy systemu zagospodarowania ciepła odpadowego z procesów technologicznych (np. metalurgicznych), jak też do zastosowania w siłowniach słonecznych CSP.

Duża grupa reakcji o możliwym zastosowaniu w magazynach ciepła to procesy uwalniania (i wiązania) wody z hydratów. Przykładem jest reakcja:

, (2.4)

której entalpia reakcji jest równa 1,67 MJ na kg hydratu.

Kolejnym przykładem odwracalnej reakcji chemicznej, często rozważanej pod kątem akumulacji ciepła, jest dysocjacja węglanu wapnia (wapienia):

(2.5)

Rys. 2.6. Schemat reaktora jako magazynu ciepła; dehydratacja – ładowanie magazynu ciepła (góra), hydratacja – rozładowanie magazynu ciepła (dół)

Proces dysocjacji przebiega w temperaturze ok. 500°C. Reakcja ta pozwala na efektywne wykorzystanie wysokotemperaturowego ciepła odpadowego jako ciepła akumulowanego, rozważa się ją także do zastosowania w magazynach dla siłowni słonecznych CSP. Przewidywany obszar zastosowań to także ciepło z reaktorów jądrowych – akumulator ciepła jako stabilizator mocy cieplnej źródła. W reakcji tej powstaje dwutlenek węgla, który musi być przechowywany. W przeciwieństwie do wcześniej opisanych reakcji, w których powstawała para wodna po skropleniu przechowywana w stanie ciekłym, dwutlenek węgla musi być przechowywany z użyciem innych technologii. Najprostsze jest gromadzenie go w stanie gazowym w zbiornikach ciśnieniowych, ale rozważa się też inne techniki, zapewniające większą gęstość, np. w zeolitach (lub innych strukturach porowatych) bądź też przez związanie CO_2 z tlenkami metali (np. z MgO).

Reakcja wiązania tlenku wapnia z dwutlenkiem węgla, czyli proces rozładowania magazynu ciepła, może przebiegać w różnych temperaturach w zależności od ciśnienia. Zwiększając ciśnienie w reaktorze można podwyższyć temperaturę, przy której jest uwalniane ciepło, do poziomu 1000°C. Procesy, w których ciepło jest uwalniane w wyższych temperaturach w stosunku do temperatury tej fazy procesu, w której było ono pochłaniania, są typowe dla pomp ciepła. Dlatego reaktory/magazyny ciepła, takie jak dysocjacja wapienia, są często nazywane chemicznymi pompami ciepła.

W opisanych wyżej przykładowych reakcjach chemicznych jeden z substratów/produktów pozostawał w stanie stałym. Jest grupa reakcji chemicznych spośród rozważanych do wykorzystania do akumulacji ciepła, w których wszystkie związki chemiczne, zarówno substraty, jak i produkty reakcji, są w stanie gazowym, np.:

(2.6)

(2.7)

Reakcje te pozwalają nie tylko na akumulację ciepła i jego przechowywanie w czasie, lecz także na przeniesienie ciepła w inne miejsce, np. przez transport rurociągami. Dają one możliwość skojarzenia np. źródła ciepła odpadowego (przemysł) z odbiorcami komunalnymi.

Akumulacja ciepła w procesach sorpcyjnych

Ze względu na duże efekty cieplne (mniejsze niż w reakcjach chemicznych, ale znacznie większe niż ciepła przemian fazowych) duże znaczenie w kontekście akumulacji ciepła przywiązuje się do procesów sorpcyjnych [5], [19]. Sorpcja jest pochłanianiem jednej substancji (sorbatu) przez inną (sorbent). Rozróżnia się absorpcję (proces objętościowy – sorbent jest w fazie ciekłej) oraz adsorpcję (proces powierzchniowy, sorbent jest w stanie stałym). Ze względu na charakter wiązań na poziomie molekularnym odpowiedzialnych za procesy wiązania sorpcja może być fizyczna (z wiązaniami van der Waalsa) lub chemiczna (z wiązaniami chemicznymi polegającymi na uwspólnianiu elektronów).

W odniesieniu do akumulacji ciepła rozważane są głównie procesy adsorpcji fizycznej z wodą jako sorbatem. Najczęściej stosowanymi sorbentami są zeolity, minerały z grupy glinokrzemianów, których podstawowymi składnikami są tlenek glinu Al_2O_3 oraz tlenek krzemu SiO_2. Charakteryzują się one dużą jednorodnością średnicy porów, w zakresie od 0,3 do 1,1 nm. Ich podstawowym zastosowaniem jest osuszanie różnych substancji, działają jako tzw. sita molekularne dzięki dużej zdolności do wchłaniania wody. Innymi sorbentami w magazynach ciepła są węgle aktywne, aluminożele (związki, których głównym składnikiem jest Al_2O_3) oraz żele krzemionkowe (na bazie tetraedru SiO_4). Materiały te charakteryzują się małymi średnicami porów, poniżej 50 nm, oraz dużą powierzchnią aktywną, rzędu 10^6 m^2/kg.

Ładowanie sorpcyjnego magazynu ciepła polega na osuszeniu złoża sorbentu przez doprowadzenie ciepła. Po naładowaniu uzyskuje się złoże sorbentu o obniżonej zawartości wody. Złoże to można ochłodzić to temperatury otoczenia i w takim stanie przechowywać do czasu, kiedy pojawi się zapotrzebowanie na ciepło. Fakt, że między fazami ładowania/rozładowania magazyny najczęściej mają temperaturę otoczenia, jest charakterystyczny dla akumulatorów chemicznych i sorpcyjnych – nie są one narażone na straty ciepła, tak jak ma to miejsce w innych typach magazynów. Rozładowanie magazynu, odbiór ciepła, następuje po doprowadzeniu pary wodnej do złoża; wiązaniu wody towarzyszy wydzielanie się ciepła – tego, które zostało doprowadzone do złoża w czasie osuszania.

Rys. 2.7. Schemat sorpcyjnego magazynu ciepła działającego w układzie otwartym