Czy magazyn ciepła jest magazynem prądu?

Czy magazyn ciepła jest magazynem prądu?

Magazynowanie energii elektrycznej nie jest łatwe, ale ciepła już tak. Wraz z upowszechnianiem pomp ciepła i innych form elektrycznego ogrzewania, magazyny ciepła będą nam coraz bardziej potrzebne. Jakie rozwiązania może zastosować ciepłownia, a jakie Kowalski? Kiedy gromadzenie ciepła u siebie jest opłacalne?

Dziś prąd wykorzystuje do ogrzewania tylko kilka procent naszych rodaków. Zgodnie z planami rządu i Unii Europejskiej wkrótce ma się to zmienić. Rośnie wykorzystanie pomp ciepła do ogrzewania, a prąd do ich napędu będzie w coraz większym stopniu pochodził z energii odnawialnej, przede wszystkim wiatrowej. Zapowiedź wprowadzenia dynamicznych taryf za dystrybucję prądu to tylko pierwsza jaskółka zmian. Produkcja prądu i ciepła będzie musiała się nawzajem do siebie dostosować.

Czysta, nowa, moc szczytowa

- Rozwój pomp ciepła w Polsce jest bardzo dynamiczny – mówi w rozmowie z Wysokim Napięciem Paweł Lachman, prezes Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC). – Podwyżki cen prądu nie zmieniły faktu, że wciąż jest to najbardziej opłacalna technologia ogrzewania. Z węglem jest coraz większy kłopot, szczególnie, że od tego roku kotły na to paliwo zostaną ostatecznie wyłączone z programu Czyste Powietrze. Pompy ciepła są elastyczne jeśli chodzi o czas poboru prądu i mogą być programowane do współpracy z elastycznymi taryfami – dodaje.

Ta elastyczność się niebawem przyda jeśli ogrzewanie z wykorzystaniem prądu będzie się dalej rozwijało tak szybko jak obecnie. W tej chwili w Polsce sprzedaje się ok. 50 tysięcy pomp ciepła rocznie, a większość z nich jest wyposażona w grzałki szczytowe. W mroźne dni ich pobór mocy może wynosić 150-200 MW.

Budynek i woda trzymają ciepło

Co do zasady są dwie metody magazynowania ciepła na poziomie odbiorcy końcowego – w instalacji grzewczej i w masie samego budynku. Posiadacze kopciuchów w nieizolowanych domach są (nie)szczęśliwymi praktykami drugiej metody – budynek utrzyma przez noc tyle ciepła, aby rury nie zamarzły, ale temperatury rano nie można nazwać komfortową. Użytkownicy ogrzewania elektrycznego mają lepiej – ogrzewanie (z taryfy dwustrefowej) działa w nocy, więc rano w domu czuć przyjemne ciepło. Najlepiej mają mieszkańcy budynków efektywnych energetycznie. Tracą one wielokrotnie mniej ciepła – nawet jeśli ogrzewanie nie działa przez cały dzień, temperatura obniża się o 1-2°C.

W przypadku pomp ciepła powietrze-woda do tego dochodzi jeszcze magazyn wodny. Nawet mała instalacja grzewcza przechowuje ciepło na godzinę-dwie, a jeśli mamy większy zbiornik wody (co jest powszechnie stosowane w instalacjach kombinowanych CO-CWU), to przynajmniej na kilka godzin. Pompy ciepła w naszych domach mogłyby przez większość czasu działać pod dyktando systemu energetycznego i dopiero gdy temperatura spadnie poniżej zera przestawiać się na pracę ciągłą. Według raportu „Jak Wypełnić Lukę Węglową” opublikowanego w 2020 roku przez Forum Energii, elastyczność pomp ciepła może w 2030 roku w niektórych chwilach dać nawet 600 MW mocy dyspozycyjnej. To tyle, ile miała wyłączona z początkiem 2018 roku Elektrownia Adamów.

Czy da się zgromadzić więcej ciepła?

Dodatkowe możliwości daje zastosowanie tzw. materiałów zmiennofazowych (ang. PCM), czyli granulek wypełnionych specjalną substancją, która przy określonej temperaturze (od 20°C do 60°C) zmienia swój stan skupienia, dzięki czemu jest w stanie pochłonąć wielokrotnie więcej ciepła od zwykłych materiałów konstrukcyjnych. Materiały zmiennofazowe to najczęściej hydraty soli lub parafiny o odpowiednio dobranej temperaturze topnienia. Są zamknięte w mikroskopijnych plastikowych kapsułkach, które mogą wejść w skład tynku, płyty gipsowo-kartonowej lub wylewki pod posadzkę. Po wygrzaniu (np. w temperaturze 24°C) substancja we wnętrzu kapsułek staje się płynna, co w żaden sposób nie wpływa na element, w który jest wbudowana. Po obniżeniu temperatury do 20°C granulki z PCM powoli oddają ciepło utrzymując niezmienną temperaturę w pomieszczeniu. Tak samo działa oczywiście zwykła ceglana ściana, jednak materiały zmiennofazowe gromadzą nieporównanie więcej energii. Schłodzenie kilograma takich granulek o kilka stopni daje tyle ciepła, ile kilogram cegły lub betonu po wygrzaniu do 100°C.

Materiały zmiennofazowe o nieco wyższej temperaturze mogą być wbudowane w ogrzewanie podłogowe (dzięki czemu posadzka oddaje ciepło przez wiele godzin po wyłączeniu grzania), a jeszcze wyższej (nawet powyżej 50°C) mogą być umieszczone w zbiorniku C.O. jako bufor ciepła.

Ogrzewanie z kolektorów słonecznych

W budynkach pasywnych magazynowanie ciepła może być też zapewnione przez magazyn w gruncie. – Dobrym przykładem jest autonomiczny dom dostępny w Podzamczu pod Chęcinami – mówi Ludomir Duda, pierwszy certyfikowany audytor energetyczny w Polsce, propagator efektywności energetycznej i budownictwa pasywnego. – Tamten budynek korzystał z hybrydowych paneli słonecznych, które dzięki chłodzeniu produkowały prąd wydajniej niż tradycyjne. Nadmiar ciepła o temperaturze 40°C był oddawany do gruntu przez sondy o głębokości 5 metrów umieszczone pod budynkiem. Dzięki temu przy powierzchni zabudowy 70 m2 uzyskaliśmy magazyn ciepła o masie setek ton. Latem nagrzewaliśmy go darmowym ciepłem z chłodzenia fotowoltaiki, co w zupełności wystarczało do ogrzania budynku przez całą zimę. Te same rury, które przekazują ciepło solarne do gruntu, rozprowadzały je potem po domu. Nowoczesne sposoby ogrzewania np. maty kapilarne pozwalają wykorzystywać źródła ciepła o bardzo niskiej temperaturze, takie jak ciepło odpadowe czy pochodzące z wysokowydajnych pomp ciepła. Oczywiście podstawą jest wysoki standard energetyczny samego budynku – dodaje Duda.

Powiązanie ciepłownictwa i energetyki

W systemach ciepłowniczych energię najprościej gromadzi się w ogromnych zbiornikach z wodą. Największy taki magazyn działa przy warszawskiej Elektrociepłowni Siekierki – gromadzi ponad 30 tysięcy m3 gorącej wody, czyli odpowiednik 80 basenów olimpijskich. Dzięki zbiornikowi elektrociepłownia może pracować przez cały dzień z taką samą mocą, a dobowe wahania poboru ciepła pokrywane są przez bufor. Pomimo oczywistych korzyści, ciągle nie jest to rozwiązanie powszechne.

Magazyny gorącej wody byłyby bardzo dobrym kierunkiem też dla mniejszych elektrociepłowni wykorzystujących np. biogaz. Ich turbiny i silniki szybko startują, więc mogłyby pełnić funkcję elektrowni szczytowych. Problemem jest oczywiście finansowanie. Małe ciepłownie z trudem zdobywają kredyty na samo odtworzenie mocy. Jeśli oprócz sieci ciepłowniczej mają wspomagać też tę energetyczną, potrzebne jest zorganizowanie wsparcia dla Przedsiębiorstw Energetyki Cieplnej. Ważne, aby mechanizm pomocy nie powodował przekroczenia wskaźników zadłużenia. Zapewnienie mocy dyspozycyjnych jest zadaniem dla wszystkich graczy na rynku energii, więc nie można nieproporcjonalnie obciążać małych spółek takich jak PEC.

Dla ciepłowników technologiczna „ucieczka do przodu” jest bardzo ważna, bo nowe i termomodernizowane budynki potrzebują nawet o trzy czwarte mniej ciepła niż stare. Coraz szersza dostępność pomp ciepła (szczególnie w połączeniu z fotowoltaiką i systemem opustów) kusi aby odpiąć się od sieci. Większe ciepłownie muszą ponosić koszty emisji CO2, a ceny ciepła są regulowane. W dodatku podwyżki zachęcają do zmniejszania zużycia ciepła jeszcze bardziej i nakręcają „spiralę śmierci” polegającą na odcinaniu się kolejnych budynków od miejskiej sieci. Nie wszyscy pamiętają, że polityka klimatyczna dotyczy nie tylko węgla, ale też gazu ziemnego. Choć elektrociepłownie są znacznie bardziej efektywne od elektrowni zawodowych, wciąż poświęca się im zbyt mało uwagi. Zwłaszcza, że przepływ prądu będzie następował w obie strony – budowa kotłów elektrycznych o mocy 70 MW w Elektrociepłowni Gdańsk jest pierwszym zwiastunem wielkiej fali elektryfikacji ciepłownictwa. Mniejsze ciepłownie również interesują się ogrzewaniem elektrycznym – przede wszystkim z wykorzystaniem bardziej efektywnych pomp ciepła. Dobrze, jeśli prąd będzie pochodził z nadwyżek okresowo generowanych przez elektrownie wiatrowe, a nie pogłębiał pokrywane przez węgiel szczyty w okresach mrozów.

Zatrzymanie rozwoju energetyki wiatrowej w 2016 roku i słonecznej od przyszłego roku będzie prawdopodobnie oznaczało, że OZE będą rozwijać się przede wszystkim dzięki mechanizmom aukcyjnym. Skoro regulatorzy uzyskają kontrolę nad tempem powstawania OZE, można od nich wymagać, aby transformacja energetyki była dobrze zaplanowana. To oznacza nie tylko brak szkody dla środowiska, ale przede wszystkim dostarczanie energii użytecznej w czasie i miejscu, w którym jest potrzebna. Magazynowanie ciepła jak żadna inna technologia z sukcesem łączy obie te role.


Niniejszy artykuł jest kolejnym z cyklu „W poszukiwaniu świętego graala neutralności klimatycznej z WWF Polska”. W ramach cyklu przyjrzymy się obecnie dostępnym i przyszłościowym technologiom magazynowania energii. Spróbujemy odpowiedzieć na pytanie, jak z pomocą magazynów energii możemy przejść transformację do bezemisyjnej gospodarki opartej o odnawialne źródła energii. Pełen raport Politechniki Warszawskiej dla Fundacji WWF jest dostępny pod tym linkiem

Zielone technologie rozwijają

Technologie dostarcza

Zobacz także...

Komentarze

Patronat honorowy

Partnerzy portalu

PGE PSE