Magazyn ciepła z piasku i zastosowania w ciepłownictwie

Magazyn składa się z silosu o grubej izolacji, w którym znajduje się złoże piasku, oraz układu wymienników ciepła przepuszczającego przez złoże czynnik roboczy, na przykład powietrze lub olej. W fazie ładowania energia elektryczna zamieniana jest na ciepło w grzałkach albo w innym układzie, a ciepło przekazywane jest do piasku. W fazie rozładowania czynnik roboczy odbiera ciepło ze złoża i kieruje je do wymiennika zasilającego sieć ciepłowniczą.

Piasek jest tanim, trwałym i niepalnym materiałem, który znosi bardzo wysokie temperatury bez degradacji. Dzięki temu magazyn może pracować w szerokim przedziale temperatur, a pojemność można zwiększać przez powiększanie objętości złoża. Sprawność całego układu zależy głównie od jakości izolacji i od czasu, przez jaki ciepło jest przechowywane.

Pierwsza zaleta to prosta, odporna konstrukcja i materiał, który jest powszechnie dostępny. Druga to możliwość przechowywania ciepła w temperaturze wyższej niż w zbiornikach wodnych, co zwiększa ilość energii przypadającą na jednostkę objętości w porównaniu z wodą pracującą w ograniczonym przedziale temperatur. Trzecia to elastyczność wobec źródła energii: magazyn można ładować nadwyżkami prądu, ale także ciepłem odpadowym.

Dla ciepłowni istotne jest to, że magazyn pozwala oddzielić moment produkcji od momentu dostawy ciepła. Można dzięki temu wykorzystać okresy niskich cen energii elektrycznej lub wysokiej produkcji z fotowoltaiki, a w godzinach szczytu ograniczyć pracę droższych jednostek. Szersze omówienie technologii magazynowania znajdziesz na stronie o magazynach energii cieplnej.

Nie jest to rozwiązanie bez wad. Magazyn jest sensowny dla ciepła, a nie do odzyskiwania energii elektrycznej, bo przemiana ciepła z powrotem w prąd wiąże się z dużymi stratami. Straty cieplne rosną przy długim przechowywaniu, więc najlepiej sprawdza się w cyklach od kilku godzin do kilku dni, a nie przy magazynowaniu międzysezonowym.

Trzeba też zapytać o parametry integracji z siecią: jaką temperaturę wody sieciowej magazyn ma dostarczać, jak szybko może oddawać moc i jak będzie sterowany. Znaczenie mają również wymagania budowlane, ochrona przeciwpożarowa i dostępność miejsca. Technologia jest młodsza niż klasyczne zbiorniki wodne, więc przed decyzją warto uzyskać od dostawców udokumentowane dane z działających instalacji.

W nowoczesnym źródle ciepła magazyn łączy się z innymi jednostkami. Przy przemysłowej pompie ciepła pozwala pracować w godzinach tańszej energii. Przy kogeneracji, opisanej w artykule o kogeneracji w ciepłowni, pozwala wyrównać różnicę między produkcją prądu a zapotrzebowaniem na ciepło i zwiększa liczbę godzin pracy agregatu.

W kalkulatorze Cieplownie wariant z pompą ciepła dużej mocy zawiera magazyn jako element układu. Dzięki temu widać, jak jego obecność zmienia koszt wytworzenia ciepła i emisję CO2. Zakresy nakładów są orientacyjne i wynikają z jawnych założeń, więc służą do porównania wariantów, a nie do wyceny konkretnej instalacji.

Zbiornik wodny jest sprawdzonym rozwiązaniem w ciepłownictwie: woda jest tanim nośnikiem, a zbiorniki bezciśnieniowe lub ciśnieniowe są znane projektantom i wykonawcom. Pracuje jednak w ograniczonym przedziale temperatur, określonym przez parametry sieci. Magazyn piaskowy ma przewagę tam, gdzie liczy się przechowanie ciepła w wysokiej temperaturze i prosta konstrukcja, ale wymaga układu przekazującego ciepło do wody sieciowej.

Wybór zależy od lokalnych warunków: dostępnej powierzchni, źródła ładowania, wymaganej mocy rozładowania i sposobu pracy sieci. Często kluczowe okazuje się nie to, jaki nośnik jest lepszy ogólnie, ale który pasuje do konkretnej ciepłowni, jej profilu obciążeń i sposobu zasilania. Porównanie wariantów na danych własnej kotłowni daje bardziej wiarygodną odpowiedź niż uniwersalne zestawienia.

Magazyny ciepła często pojawiają się jako element większych projektów transformacji źródła, które mogą kwalifikować się do wsparcia z programów takich jak Fundusz Modernizacyjny. Czy konkretna instalacja spełnia warunki, rozstrzyga regulamin naboru, który trzeba przeczytać w aktualnym brzmieniu. Nie przyjmujemy z góry, że technologia, bo jest nowa, otrzyma finansowanie.

Dostawcy magazynów, pomp ciepła i układów sterowania mogą docierać do takich inwestycji wcześniej dzięki radarowi opisanemu na stronie dla wykonawców i planom z cennika. Inwestorom pomaga natomiast kalkulator, który porządkuje dane przed zapytaniem ofertowym.

Dobór magazynu zaczyna się od pytania, do czego ma służyć. Jeśli ma wyrównywać dobowe wahania zapotrzebowania, liczy się pojemność wystarczająca na kilka godzin pracy przy szczytowym obciążeniu. Jeśli ma przechwytywać nadwyżki energii elektrycznej z odnawialnych źródeł, liczy się moc ładowania i liczba godzin, w których takie nadwyżki występują.

Osobnym parametrem jest moc rozładowania, czyli jak szybko magazyn może oddać ciepło do sieci. Zbyt mała moc sprawi, że magazyn nie pokryje szczytu, a zbyt duża podniesie koszt układu wymienników. Warto też uwzględnić stratę ciepła w czasie przechowywania, która zależy od izolacji i od tego, jak długo energia leży w złożu.

Wynik takiej analizy najlepiej zestawić z krzywą obciążeń ciepłowni i profilem cen energii. Bez tych danych łatwo przewymiarować magazyn albo kupić technologię, która nie pasuje do sposobu pracy źródła.