Zrozumieć transformację energetyczną: magazyny ciepła.
W transformacji energetycznej Polski istotną rolę mają do odegrania magazyny ciepła. Dlaczego?
Można magazynować prąd, i gdy mamy do czynienia z naprzemiennymi codziennymi nadwyżkami i niedoborami energii, jak w słonecznej połowie roku, działa to całkiem dobrze. Magazynowanie ciepła jest dużo tańsze i prostsze, a przydaje się szczególnie w zimnej połowie roku. Istotną zaletą magazynów ciepła jest możliwość grzania ich za pomocą prądu: czy to w prymitywnej wersji grzałkami, czy w bardziej zaawansowanej – pompami ciepła. Gdy mamy bardzo dużo prądu z wiatru i słońca – grzejemy zbiornik z wodą. Gdy zbiornik jest odpowiednio duży, możemy czerpać z niego ciepło przez wiele dni lub tygodni, także wtedy, gdy przez dłuższy czas nie mamy nadwyżek prądu na dogrzewanie zbiornika. W ten sposób można wykorzystać praktycznie dowolną ilość prądu, pozbywając się przy tym ewentualnego problemu nadprodukcji prądu przez instalacje OZE.
O magazynowaniu ciepła
Instalacje do magazynowania ciepła mogą przyjmować różne formy: od prostych domowych bojlerów na ciepłą wodę, przez duże (nawet sezonowe) magazyny ciepła, po magazynowanie energii w cieple przejścia fazowego, czyli zmiany stanu skupienia pomiędzy cieczą a ciałem stałym (analogicznie jak między wodą a lodem).
Instalacja 1. Duże magazyny ciepła wykorzystywane w sieciach ciepłowniczych. Po lewej magazyn typu TTES (ang. Tank Thermal Energy Storage) w Austrii o pojemności cieplnej 2 GWh, po prawej magazyn typu PTES (ang. Pit Thermal Energy Storage) w Vojens w Danii o objętości 200 000 m3 i pojemności cieplnej 19 GWh, dla lepszego zobrazowania skali pokazany na etapie budowy – dzięki efektowi skali koszt wynosi niecałe 1,5 mln zł/GWh pojemności cieplnej. Duże magazyny PTES dla ograniczenia utraty ciepła są od góry przykrywane izolacją w formie pływającej pokrywy.
Aby podgrzać 1 m3 wody o 1°C, potrzeba 1,17 kWh. Na podgrzanie wody o 43°C pójdzie 50 kWh (różnica temperatur jest dobrana dla okrągłego rachunku). Gdy zrobimy zbiornik o objętości 20 000 m3 (to prawie 7 basenów olimpijskich, po 3000 m3 wody), w jego podgrzanie pójdzie 50 · 20 000 = 1 000 000 kWh = 1 GWh. Tak duży zbiornik, przyzwoicie zaizolowany, prawie nie traci ciepła (w ciągu kilku tygodni straty ciepła są na poziomie kilku procent).
Nie wszystkie domy będą podpięte do sieci ciepłowniczych i powiązanych z nimi dużych magazynów, szczególnie tam, gdzie mamy do czynienia z rozproszoną zabudową. W takiej sytuacji dom będzie wyposażony w pompę ciepła oraz własny magazyn ciepła.
Pomiędzy skalą makro (duże magazyny sieci ciepłowniczych w miastach) i mikro (indywidualne magazyny w domach jednorodzinnych), będzie istnieć skala midi, czyli magazyny ciepła dla domu wielorodzinnego, kilku budynków lub osiedla. To, jakiej skali magazyny oraz sieci ciepłownicze powinny powstać w danym miejscu, zależy od uwarunkowań lokalnych, takich jak lokalizacja w metropolii czy na wsi, gęstość zabudowy, skala zapotrzebowania na ciepło, możliwości terenowe umieszczenia magazynów ciepła itd.
Ciepłownia przyszłości
Przyjrzyjmy się bliżej działaniu ciepłowni przyszłości. Dziś działanie ciepłowni jest „sterowane” zapotrzebowaniem na ciepło – grzejemy domy, gdy jest zimno. W przyszłym systemie energetycznym, bazującym na prądzie z tanich źródeł pogodozależnych, podejście będzie inne.
Ilustracja 2. Schemat ciepłowni z magazynem ciepła, bazującej na dostawach prądu. KSE oznacza Krajowy System Elektroenergetyczny. Po stronie odbiorców prądu mogą być stosowane dodatkowe lokalne źródła energii, pompy ciepła oraz magazyny ciepła/chłodu (oznaczone odpowiednio czerwoną i niebieską kropką przy ikonie lokalnego małego magazynu u spółdzielcy).
Sercem ciepłowni jest magazyn ciepła, taki jak np. na ilustracji 2. Gdy farmy wiatrowe i słoneczne wytwarzają więcej prądu niż potrzeba (czyli przez większość czasu), grzejemy wodę w magazynie za pomocą pomp ciepła i grzałek. Grzałki są mniej efektywne, ale są bardzo tanie i dobrze sprawdzają się w okresach wyjątkowo wysokiej nadprodukcji energii. A przecież nie ma sensu przewymiarowywanie pomp ciepła tak, żeby ich pełna moc była wykorzystywana przez bardzo małą część roku. Grzałki zaś wykorzystujemy oczywiście dopiero wtedy, gdy pracują już wszystkie inne lepsze sposoby wykorzystania energii, łącznie z elektrolizerami, instalacjami odsalania wody, bezpośredniego wychwytu dwutlenku węgla (DACCS) itd.
Tytułem doprecyzowania, jak wykorzystujemy nadwyżki energii według priorytetów:
- Ładujemy magazyny prądu (baterie i elektrownie szczytowo-pompowe).
- Ładujemy magazyny pompami ciepła, ile jest mocy + działają elektrolizery.
- Działają inne instalacje, jak odsalanie wody (oby nie było nam w Polsce potrzebne!) czy DACCS.
- Działają grzałki.
W zależności od sytuacji – od potrzeb oraz prognoz zapotrzebowania i produkcji energii – priorytety mogą być w pewnym zakresie modyfikowane.
Jak duże powinny być magazyny ciepła? Ciepło jest potrzebne głównie w zimie. W tej porze roku słońce dostarcza niewiele energii, za to możemy liczyć na dużo wiatru – jednak uwzględniając możliwość, że przez kilka-kilkanaście dni będzie wiał zbyt słabo. Tak więc magazyny dobowe będą zbyt małe, a kosztowne magazyny sezonowe niepotrzebne.
Magazyn ciepła, pozwalający magazynować ciepło na tydzień czy dwa (co przy miksie energetycznym wiatr+słońce jest zupełnie wystarczające), będzie jak znalazł. W skali kraju oznacza to magazyny o łącznej pojemności cieplnej 1000-2000 GWh (od małych magazynów domowych po duże magazyny w miastach). Takie magazyny nie tylko zapewnią stabilne ciepło odbiorcom, ale też mogą przyjąć dowolnie dużą ilość prądu.Dzięki temu mocno ograniczymy sytuacje, w których nie będzie co zrobić z nadwyżkami energii. Możemy też dogrzewać magazyn za pomocą innych źródeł ciepła, takich jak np. kolektory słoneczne.
W przyszłości zdominowanej przez pogodozależne źródła energii potrzebne będą dyspozycyjne gazowe źródła energii. Jak już mamy je stawiać, to postawmy je przy magazynach ciepła i odbiorcach, żeby te elektrownie gazowe mogły pracować w kogeneracji.
Ilustracja 3. Schemat elektrociepłowni z magazynem ciepła, z dyspozycyjną kogeneracją gazową.
W tym wariancie musimy oczywiście dostarczyć gaz, choć przy pracy dyspozycyjnej w niezbyt dużej ilości. Możemy też przejść na wodór, z jego lokalną produkcją.
Ilustracja 4. Schemat elektrociepłowni z magazynem ciepła, z dyspozycyjną kogeneracją wodorową.
Do budynku elektrociepłowni wstawiamy elektrolizer, kompresor oraz zbiornik na wodór. Elektrolizę prowadzimy, gdy dostępne są nadwyżki prądu, a generację prądu uruchamiamy dyspozycyjnie jak poprzednio. Ciepło odpadowe z pracy silnika, elektrolizerów i kompresorów oczywiście wykorzystujemy.
Zastępując (dostarczany z zewnątrz) metan (produkowanym na miejscu) wodorem, zmieniamy tylko jeden element całego systemu, resztę pozostawiając bez zmian. Ponieważ wodór jest wytwarzany, magazynowany i wykorzystywany na miejscu, odpada też jego problematyczny przesył. Istotną cechą systemu jest to, że jest on czysto CAPEXowy, czyli po poniesieniu początkowych wydatków na zbudowanie systemu (zrobienie magazynu ciepła, postawienie wiatraków, fotowoltaiki, pomp ciepła itd.) nie ponosimy wydatków na zakup paliwa czy cokolwiek innego poza bieżącym utrzymaniem.
Więcej materiałów na podstawie książki „Zrozumieć transformację energetyczną” wraz z symulatorem systemu energetycznego znajdziesz w tym miejscu.
